Устройство для защиты трехфазной электрической сети

 

Использование: для повышения надежности и чувствительности работы защиты сети от неполнофазных режимов работы. Сущность изобретения: за счет введения третьего выпрямительного моста 4 и выполнения нуль-индикатора 7 с двумя обмотками устройство реагирует на отношение тока обратной последовательности к разности токов обратной и прямой последовательностей, позволяет достичь желаемый положительный эффект. 1 ил.

Изобретение относится к электротехнике, в частности к технике релейной защиты от коротких замыканий и неполнофазных режимов работы трехфазной электричеcкой сети, питающей двигательную нагрузку, например, сети, питающей насосные станции, погружные насосы артезианских скважин и т.д.

Известно устройство для защиты трехфазного двигателя от внешних, внутренних замыканий и анормальных режимов, содержащее фильтры тока прямой и обратной последовательностей, выпрямительные мосты и три исполнительных реле [1]. Это устройство позволяет осуществлять защиту электродвигателя от коротких замыканий, симметричных перегрузок и повреждений, сопровождаемых малыми токами обратной последовательности.

Недостатками этого устройства являются сложность выбора уставки от неполнофазного режима работы, низкий коэффициент чувствительности, а следовательно, и низкая надежность его работы. Указанный недостаток обусловлен тем, что исполнительное реле, реагирующее на ток обратной последовательности, подключено на выход своего выпрямительного моста и реагирует только на абсолютную величину тока обратной последовательности.

Наиболее близким к изобретению по технической сущности и достигаемому результату, принятым за прототип является устройство для защиты трехфазной электрической сети от аварийных режимов, содержащее промежуточные трансформаторы, вторичные обмотки которых имеют клеммы для подключения соответственно к фильтрам тока прямой и обратной последовательности, причем выводы фильтра прямой последовательности непосредственно, а выводы фильтра обратной последовательности через разделительный трансформатор подключены к входам соответственно первого и второго выпрямительных мостов, выходы обоих мостов подключены к двум параллельно включенным исполнительным реле соответственно прямой и обратной последовательности, одноименные концы которых разделены диодом, а между диодом и одноименным концом исполнительного реле прямой последовательности включено исполнительное реле напряжения [2]. Известное устройство позволяет осуществлять защиту линий от коротких замыканий (исполнительные реле прямой и обратной последовательностей), неполнофазных режимов работы (исполнительное реле напряжения).

Недостатками известного устройства, принятого за прототип, являются ненадежность его работы вследствие малого коэффициента чувствительности при неполнофазных режимах работы сети, а также зависимость уставки срабатывания при этих режимах от коэффициентов пропорциональности фильтров тока. Указанные недостатки обусловлены следующим.

Исполнительное реле напряжения имеет следующее уравнение срабатывания = т.е. реагирует на отношение тока обратной последовательности, где - заданная уставка срабатывания исполнительного реле напряжения, зависящая от коэффициентов пропорциональности фильтров тока прямой и обратной последовательностей. Данная уставка с учетом отстройки от естественной асимметрии токов сети имеет минимальное значение 0,2÷0,3, при возникновении неполнофазного режима I₂=I₁, и правая часть уравнения срабатывания принимает значение, равное 1, следовательно, коэффициент чувствительности прототипа неполнофазным режимом равен 5÷3,3.

Целью изобретения является повышение надежности и чувствительности работы защиты сети от неполнофазных режимов работы.

Цель обеспечивается тем, что в устройстве, содержащем в цепи защищаемой линии фильтры токов прямой и обратной последовательностей, исполнительное реле обратной последовательности, подключенное к выходу первого выпрямительного моста, вход которого подключен к выходу фильтра тока обратной последовательности, исполнительное реле прямой последовательности, подключенное к выходу второго выпрямительного моста, вход которого подключен к выходу фильтра тока прямой последовательности, согласно изобретению дополнительно имеет третий выпрямительный мост, вход которого подключен к выходу фильтра тока обратной последовательности, а выход с обратной полярностью подключен параллельно второму выпрямительному мосту, выход первого выпрямительного моста подключен к рабочей обмотке нуль-индикатора с времятоковой характеристикой срабатывания, а параллельно соединенные выходы второго и третьего выпрямительных мостов подключены к тормозной обмотке нуль-индикатора.

Наличие в схеме нуль-индикатора и третьего выпрямительного моста позволяет повысить коэффициент чувствительности защиты к неполнофазным режимам работы, а следовательно, выполнить ее более надежной и сделать независимой уставку срабатывания от коэффициентов пропорциональности фильтров тока.

На зажимах исполнительного реле фильтра тока обратной последовательности выделяется напряжение, пропорциональное току обратной последовательности, U=K₂·I , где K₂ - комплексный коэффициент пропорциональности фильтра тока обратной последовательности; I₂ - ток обратной последовательности.

На зажимах исполнительного реле фильтра тока прямой последовательности выделяется разность двух напряжений: напряжения, пропорционального току обратной последовательности, U=K₂·I , и напряжения, пропорционального прямой последовательности, U=K₁·I , где K₁ - комплексный коэффициент пропорциональности фильтра тока прямой последовательности; I₁ - ток прямой последовательности.

Таким образом, на зажимах исполнительного реле фильтра тока прямой последовательности выделяется напряжение U=U₂-U₁=K₂·I-K₁·I .

Если пренебречь чувствительностью нуль-индикатора, то уравнение его срабатывания можно записать K₂·I-K₁·I-K₁·I .

Если принять К₁ равным К₂, то уравнение срабатывания принимает вид I= I-I . Поделив обе части этого уравнения на I-I , получают = 1 , где значение левой и правой частей принимается по абсолютной величине, а уставка срабатывания нуль-индикатора равна 1 и не зависит от коэффициентов пропорциональности фильтров тока.

При возникновении неполнофазного режима I₂≈ I₁ , а их разность I-I стремится к нулю. Таким образом, теоретически левая часть уравнения срабатывания нуль-индикатора стремится к бесконечности, а следовательно, и коэффициент чувствительности защиты от неполнофазных режимов работы, определяемый как величина, подводимая к исполнительному органу (нуль-индикатору), деленная на уставку, равен
K_ч= _→ ∞ т.е. теоретически стремится к бесконечности. Исследования, проведенные с заявленным устройством, показали, что при изменении тока нагрузки от нуля до номинального значения, разница |I₂|-|I₁| не превышает 0,02 I_нагр. Таким образом, величина, подводимая к нуль-индикатору при неполнофазном режиме работы, имеет величину не более
= = ≈ 30
т. е. К_ч = = 30, что в 6-10 раз больше, чем у прототипа. Следовательно, дополнительное введение третьего выпрямительного моста и подключение тормозной обмотки нуль-индикатора на выход параллельно подключенных второго и третьего выпрямительных мостов, а подключение рабочей обмотки на выход первого выпрямительного моста позволяют повысить коэффициент чувствительности устройства к неполнофазным режимам работы теоретически до бесконечности, а при конкретном выполнении в 6-10 раз, т.е. сделать устройство более надежным. Кроме того, принятие равными коэффициентов фильтров тока, т.е. К₁ = К₂, позволяет отказаться от разделительного трансформатора и сделать уставку срабатывания защиты независящей от коэффициентов фильтров тока, что также повышает надежность работы заявляемого устройства.

Соответствие технического решения критерию "существенные отличия" доказывается следующим.

Известно техническое решение (см.Молчанов В.В., Голанцев Е.Б. Панели дистанционных защит типа П3-5 (ПЭ 2105). -М.: Энергоатомиздат, 1987. с. 20-24) с реагирующим органом (нуль-индикатором), включенным на рабочий и тормозной контуры (токи), т. е. известно техническое решение, в котором имеется нуль-индикатор, как и в заявляемом решении, но в известном решении нуль-индикатор реагирует на изменение сопротивления защищаемой сети и выполняет другие функции, а именно защищает электрическую сеть от коротких замыканий, так как уравнение его срабатывания имеет вид
| K₁˙I | ≥ | K_U˙U |-| K₂˙I |
В заявляемом техническом решении нуль-индикатор, включенный на рабочий и тормозной токи и имеющий уравнение срабатывания
|K₂˙I₂|≥|K₂˙I₂|-|K₁˙I₁|, реагирует на отношение тока обратной последовательности к разности токов обратной и прямой последовательностей и защищает сеть от неполнофазных режимов работы, что не осуществляет известное техническое решение.

Таким образом, у заявляемого технического решения появляются свойства, не совпадающие со свойствами известного решения.

На чертеже изображена принципиальная схема устройства.

Устройство содержит фильтр 1 тока прямой последовательности, фильтр 2 тока обратной последовательности. К выходу фильтра 1, выдающего составляющую тока прямой последовательности, подключен выпрямительный мост 3, а к выходу фильтра 2, выдающего составляющую тока обратной последовательности, подключены выпрямительные мосты 4 и 5. К выходу выпрямительного моста 5 подключены исполнительное реле 6, реагирующее на несимметричные короткие замыкания в сети, и рабочая обмотка нуль-индикатора 7, реагирующего на отношение тока обратной последовательности к разности токов обратной и прямой последовательностей. К выходам выпрямительных мостов 3 и 4, включенных разнополярно, подключены исполнительное реле 8, реагирующее на симметричные короткие замыкания, а также тормозная обмотка нуль-индикатора 7. Реле 6 и 8 имеют следующие назначения: исполнительное реле 6 срабатывает при несимметричных коротких замыканиях с независимой выдержкой времени; исполнительное реле 8 срабатывает при симметричных коротких замыканиях с независимой выдержкой времени. Нуль-индикатор 7 срабатывает при возникновении неполнофазных режимов работы с времятоковой характеристикой.

Напряжение, поступающее к входным зажимам реле 6 и рабочей обмотке нуль-индикатора 7 равно U₂=|K₂˙I₂|, где К₂ - комплексный коэффициент пропорциональности фильтра тока обратной последовательности; I₂ - ток обратной последовательности защищаемой сети. Напряжение, поступающее к входным зажимам реле 8 и тормозной обмотке нуль-индикатора 7, равно U=|K₂-I₂|-|K₁˙I₁| , так как выпрямительные мосты включены разнополярно, где К₁ - комплексный коэффициент пропорциональности фильтра тока прямой последовательности; I₁ - ток прямой последовательности защищаемой сети.

Устройство работает следующим образом.

При возникновении несимметричных коротких замыканий в защищаемой сети значительно увеличивается напряжение U₂ = | K₂˙I₂| , что приводит к срабатыванию исполнительного реле 6 и нуль-индикатора 7 канала тока обратной последовательности (элементы 2,5,6,7). При этом исполнительное реле 8 не срабатывает, так как при несимметричных (двухфазных) коротких замыканиях I₂ = I₁ и напряжение, подводимое к реле 8, равно | K₂˙I₂|-|K₂˙I₁|, а так как I₂ = I₁ и K₂ = K₁, то оно равно нулю.

При возникновении симметричных коротких замыканий увеличивается напряжение U₁= |K₁˙I₁|, что приводит к срабатыванию реле 8 канала тока прямой последовательности (элементы 1,3,8).

При возникновении в сети неполнофазного режима на зажимах реле 6, а следовательно, на рабочей обмотке нуль-индикатора 7 появляется напряжение U₂= |K₂˙I₂|, а на зажимах реле 8 и тормозной обмотке нуль-индикатора 7 появляется разность напряжений |K₂˙I₂|-|K₁˙I₁|.

Если пренебречь чувствительностью нуль-индикатора 7, то уравнение его срабатывания можно записать
|K₂˙I₂|= |K₂˙I₂|-|K₁˙I₁|, или, приняв K₂ = K₁ = K и поделив обе части уравнения на |K₂˙I₂|-|K₁˙I₁|, получают ,
= 1, где 1 - заданная уставка защищаемой сети, не зависящая от коэффициентов пропорциональности фильтров тока.

Описанное устройство для защиты трехфазной электрической сети, питающей двигательную нагрузку, обеспечивает ее защиту от симметричных и несимметричных коротких замыканий, от неполнофазных режимов работы сети, вызываемых обрывами проводов, перегоранием предохранителей, невключением ножей линейных разъединителей или контактов масляного выключателя и приводящих к выходу из строя электродвигателей, нарушению технологического процесса.

Введение третьего выпрямительного моста 4 и нуль-индикатора 8 выгодно отличает устройство от прототипа, так как позволяет теоретически получить коэффициент чувствительности защиты при неполнофазных режимах работы, равный бесконечности, что существенно повышает надежность работы устройства, и сделать уставку срабатывания защиты независящей от коэффициентов пропорциональности фильтра. Предлагаемое устройства прошло лабораторные испытания.

Формула изобретения

УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЗАЩИТЫ ТРЕХФАЗНОЙ ЭЛЕКТРИЧЕСКОЙ СЕТИ от аварийных режимов, содержащее фильтры токов прямой и обратной последовательности, исполнительное реле обратной последовательности, подключенное к выходу первого выпрямительного моста, вход которого подключен к выходу фильтра обратной последовательности, исполнительное реле прямой последовательности, подключенное к выходу второго выпрямительного моста, вход которого подключен к выходу фильтра тока прямой последовательности, нуль-индикатор, отличающееся тем, что, с целью повышения надежности и коэффициента чувствительности при неполнофазных режимах работы, снабжено третьим выпрямительным мостом, вход которого подключен к выходу фильтра тока обратной последовательности, а выход подключен параллельно второму выпрямительному мосту с обратной ему полярностью, нуль-индикатор выполнен с рабочей и тормозной обмотками и времятоковой характеристикой срабатывания, выход первого выпрямительного моста подключен к рабочей обмотке нуль-индикатора, а параллельно соединенные выходы второго и третьего выпрямительных мостов подключены к тормозной обмотке нуль-индикатора.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2