Устройство для централизованной направленной защиты от замыканий на землю

 

Использование: устройство для централизованной направленной защиты от замыканий на землю в сети с нейтралью, заземленной через высокоомный резистор, предназначено для защиты воздушных линий электропередачи в соответствующих сетях. Сущность изобретения: в известное устройство для централизованной направленной защиты от замыканий на землю, содержащее первый измерительный трансформатор напряжения нулевой последовательности, вход которого подключен к первой секции сборных шин питающей подстанции, а выход соединен с входом первого фильтра промышленной частоты 1, к выходу которого через последовательно включенные первый фазоповоротный блок 2 и первый компаратор 3 подключен первый вход первого логического элемента И-4, исполнительные органы 30 в количестве, равном числу защищаемых линий n, дополнительно введены второй измерительный трансформатор напряжения нулевой последовательности, по три трансформатора тока в цепи каждой защищаемой линии, два трансформатора тока в цепях высокоомных заземляющих резисторов, n датчиков тока нулевой последовательности, n+1 фильтр 9, 19 промышленной частоты, 3n+3 компаратора 20, 23, 29, 8, 11, 13, 2n+1, логический элемент И - 12, 21, 25, 2n преобразователя 22, 28 прямоугольных импульсов в пилообразное напряжение, n расширителей импульсов 24, n+2 накладки оперативные 31, 43, 46, четыре пороговых органа 5, 14, 41, 44, два согласующих элемента 6, 15, второй фазоповоротный блок 10, сумматор 7,2n+2, элемента 16, 17 32, 33 сигнализации, два элемента 42, 45 выдержки времени, блок 40 проверки исправности устройства, n резисторов 26 и n диодов 27 с соответствующими связями. В предлагаемом устройстве используется информация не только от группы линий, подключенных к одной секции сборных шин подстанции, но также и от второй секции сборных шин. В результате оно имеет более высокую селективность и чувствительность, чем прототип. 10 ил.

Изобретение относится к электротехнике и предназначено для защиты воздушных линий электропередачи от замыкания на землю в сетях с нейтралью, заземленной через высокоомный резистор.

В последнее время (например, в электрических сетях Тюменского Севера) появилась тенденция заземлять нейтрали трансформаторов в сетях 35 кВ через высокоомный резистор, сопротивление которого подобрано, в частности, исходя из условий предотвращения возникновения перемежающейся дуги.

Установка такого резистора, как показывает проведенный анализ, предотвращает возникновение в сети значительных перенапряжений, связанных с перемещающейся дугой, выход из строя в этом режиме высоковольтной изоляции, трансформаторов напряжения и измерительной аппаратуры, подключенной к их вторичным цепям и т.д.

Электрические сети напряжением 35 кВ выполнены в Тюменской области, как правило, воздушными линиями электропередачи (в габаритах 110 кВ для повышения надежности), причем ответственные потребители обычно запитываются посредством двухцепных линий, расположенных на одних опорах. Каждая из цепей присоединяется при этом к своей секции сборных шин питающей подстанции. За счет большой межцепной емкости замыкание на землю на одной из линий электропередачи приводит к появлению токов нулевой последовательности не только по линиям, запитанным от "своей" секции сборных шин, но и по линиям, питающимся от "соседней" секции. Проведенные испытания выявили еще одну особенность: при падении провода линии электропередачи 35 кВ на грунт часто в месте замыкания на землю фиксировалось переходное сопротивление порядка 7-10 кОм.

Еще одной особенностью этих электрических сетей является то, что из конструктивных соображений там невозможна установка кабельных трансформаторов тока нулевой последовательности. Приходится в качестве источника тока нулевой последовательности использовать нулевой провод обычных измерительных трансформаторов тока, включенных в фазы линии электропередачи, что может значительно увеличить ток небаланса.

Кроме того, установка резистора в нейтрали силового трансформатора требует действия защиты линий от замыканий на землю на отключение поврежденной линии при протекании по этому резистору тока, опасного с точки зрения его термической стойкости в течение соответствующего времени. При малых токах замыкания, не опасных для резистора, защита может действовать на сигнал.

Рассмотрим, в какой степени известные защиты удовлетворяют перечисленным выше особенностям сетей 35 кВ.

Известно устройство для защиты от однофазного замыкания на землю в электрической сети переменного тока, содержащее последовательно соединенные подключенный к трансформатору напряжения нулевой последовательности сети фазосдвигающий блок и первый формирователь прямоугольных импульсов, последовательно соединенные подключенный к трансформатору тока нулевой последовательности защищаемого присоединения фильтр основной частоты и второй формирователь прямоугольных импульсов, последовательно соединенные подключенный к выходу фильтра основной частоты усилитель, компаратор, преобразователь импульсов в напряжение постоянного уровня и первый логический элемент И, блок задания уставки, выход которого соединен с вторым входом компаратора, последовательно соединенные подключенный к трансформатору напряжения нулевой последовательности сети преобразователь переменного напряжения в напряжение постоянного тока с уставкой по напряжению и первый блок времени, выход которого соединен с вторым входом первого логического элемента И исполнительный орган, шесть блоков времени, второй и третий логические элементы И, интегратор и ключ, причем выход первого формирователя прямоугольных импульсов соединен с двумя входами второго логического элемента И соответственно через второй и третий блоки времени, выход второго формирователя прямоугольных импульсов соединен с двумя входами третьего логического элемента И соответственно через четвертый и пятый блоки времени, выходы второго и третьего логических элементов И соединены соответственно с третьим и четвертым входами первого логического элемента И, выход которого через интегратор подключен к исполнительному органу, выход интегратора через ключ соединен со вторым входом, а первый вход интегратора через шестой блок времени с управляющим входом ключа, выход первого блока времени через седьмой блок времени соединен со вторым входом преобразователя переменного напряжения в напряжение постоянного уровня с уставкой по напряжению [1] Недостатком описанного устройства является то, что оно использует информацию только от "своей" линии и поэтому в описанных выше сетях 35 кВ обладает низкой селективностью и чувствительностью, поскольку либо будет ложно срабатывать на линиях, связанных с неповрежденной секцией сборных шин при замыкании на землю в сети из-за большого тока через межцепные емкости, либо, если ток и напряжение его срабатывания увеличить до такой степени, чтобы оно не срабатывало в этом режиме, не будет чувствовать замыканий на землю на поврежденной линии, если эти замыкания происходят через большие переходные сопротивления.

Известно централизованное устройство для направленной защиты от замыкания на землю в сети с изолированной или компенсированной нейтралью, содержащее общие для всех n присоединений фильтр напряжения нулевой последовательности, подключенный своим выходом к входу пускового органа, включающего в себя пороговый элемент и элемент задержки на срабатывание, и к входу формирователя сигналов опорного напряжения, блок автоматического стирания информации, выход которого подключен к стирающим входам элементов оперативной памяти, и на каждое из n присоединений фильтр тока нулевой последовательности, подключенный через формирователь сигналов тока к датчикам знака мгновенных значений тока нулевой последовательности, выходы которых подключены к первым входам элементов И, вторые входы которых присоединены к выходам соответствующих датчиков знака мгновенных значений опорного напряжения, а выходы упомянутых элементов И подключены через последовательно соединенные элемент ИЛИ, элементы оперативной и долговременной памяти к исполнительному органу, быстродействующий токовый пусковой орган с 2n входами, блок автоматического изменения порога срабатывания, блок синхронизации записи информации в элементы оперативной памяти, блок дифференцирования сигнала и элемент ИЛИ на 2 входа, при этом 2n входов быстродействующего токового пускового органа подключены к выходам всех упомянутых датчиков знака мгновенных значений тока, выход к входу блока автоматического изменения порога срабатывания и через элемент ИЛИ, второй вход которого присоединен к выходу порогового элемента пускового органа напряжения, к входам блока автоматического стирания информации оперативной памяти и введенного блока синхронизации записи информации в элементы оперативной памяти, выход которого подключен к синхронизирующим входам элементов оперативной памяти, а блок дифференцирования сигнала подключен своим входом к выходу формирователя сигналов опорного напряжения, а выходом к входам датчиков знака мгновенных значений опорного напряжения, причем выход блока автоматического изменения порога срабатывания соединен с управляющими входами упомянутых датчиков знака мгновенных значений тока [2] Недостатком описанного устройства является то, что оно использует информацию только от группы линий, подключенных к одной секции сборных шин подстанции, и поэтому в описанных выше сетях 35 кВ обладает низкой селективностью и чувствительностью, поскольку либо будет ложно срабатывать на линиях, связанных с неповрежденной секцией сборных шин при замыкании на землю в сети из-за большого тока через межцепные емкости, либо, если ток и напряжение его срабатывания увеличить до такой степени, чтобы оно не срабатывало в этом режиме, не будет чувствовать замыканий на землю на поврежденной линии, если эти замыкания происходят через большие переходные сопротивления.

Известно устройство для централизованной защиты от замыканий на землю в сети с изолированной или компенсированной нейтралью, содержащее на каждом из n присоединений фильтр тока нулевой последовательности, к выходу которого подключены датчики положительного и отрицательного знаков начальной полуволны переходного тока нулевой последовательности, а также на каждом из n присоединений элемент запрета, запоминающий и исполнительный элементы, общий для n присоединений фильтр напряжения нулевой последовательности, к выходу которого подключен пусковой орган, выход которого соединен с управляющими входами упомянутых элементов запрета, общий для n присоединений блок мажерирования для сравнения числа начальных положительной и отрицательной полярностей, два элемента И на два входа и элемент ИЛИ на два входа и общий для всех n присоединений логический блок определения замыканий на шинах с (2n+1) входами, (n+1)-ый элемент запрета, (n+1)-ый запоминающий и (n+1)-ый исполнительный элементы, общие ИЛИ-НЕ на два входа, элемент ИЛИ на (n+2) входа и элемент временной задержки, а блок мажерирования выполнен с 2n входами и двумя выходами, при этом первые n входов блока мажерирования подключены к выходам упомянутых датчиков положительного знака, вторые n входов к выходам упомянутых датчиков отрицательного знака, первый выход блока мажерирования подключен к первому входу элемента ИЛИ-НЕ и к первым входам элементов И, вторые входы которых подключены к выходам датчиков отрицательного знака, второй выход блока мажерирования подключен к второму входу упомянутого элемента ИЛИ-НЕ и к первым входам элементов И, вторые входы которых подключены к выходам датчиков положительного знака, выход элементы ИЛИ-НЕ подключен к одному из (2n+1) входов логического блока определения замыкания на шинах, остальные 2n входов которого подключены к выходам всех элементов И, а выход к записываемому входу (n+1)-го запоминающего элемента, причем выходы элементов И каждого из n присоединений подключены также через соответствующие элементы ИЛИ к записывающим входам соответствующих запоминающих элементов, выходы всех (n+1) запоминающих элементов подключены к входам соответствующих элементов запрета и к (n+1) входам элемента ИЛИ на (n+2) входа, выход которого присоединен к блокирующим входам запоминающих элементов и через элемент временной задержки к стирающим входам всех (n+1) запоминающих элементов, а выход пускового органа подключен к (n+2)-му входу упомянутого элемента ИЛИ на (n+2) входа и к управляющему входу всех (n+1) элементов запрета, каждый из которых подключен своим выходом к входу соответствующего исполнительного элемента [3] Недостатком описанного устройства, как и предыдущего, является то, что оно использует информацию только от группы линий, подключенных к одной секции сборных шин подстанции и поэтому в описанных выше сетях 35 кВ обладает низкой селективностью и чувствительностью, поскольку либо будет ложно срабатывать на линиях, связанных с неповрежденной секцией сборных шин при замыкании на землю в сети из-за большого тока через межцепные емкости, если ток и напряжение его срабатывания увеличить до такой степени, чтобы оно не срабатывало в этом режиме, не будет чувствовать замыканий на землю на поврежденной линии, если эти замыкания происходят через большие переходные сопротивления.

Известно также устройство для централизованной направленной защиты от замыканий на землю в сети с изолированной или компенсированной нейтралью, содержащее измерительный трансформатор напряжения нулевой последовательности, подключенный входам к секции сборных шин, а выходом к входу пускового органа, формирователь короткого импульса, а также на каждой из n защищаемых линий измерительный трансформатор тока нулевой последовательности и последовательно соединенные элементы сравнения, запрета, памяти, несовпадения, исполнительный орган, при этом выход блока сброса памяти подключен к вспомогательным входам всех элементов памяти, выходы которых подключены также к соответствующим входам мажеритарного блока, выход которого соединен с вторыми входами элементов несовпадения, общие для всех n защищаемых линий фильтр промышленной частоты, фазоповоротный блок, компаратор и элемент И, к выходу измерительного трансформатора напряжения нулевой последовательности подключен вход фильтра промышленной частоты, выход которого подключен к последовательно соединенным фазоповоротному блоку, компаратору, элементу И и формирователю короткого импульса, второй вход компаратора соединен с общим проводом, а второй вход элемента И с выходом пускового органа, выход каждого измерительного трансформатора тока нулевой последовательности непосредственно подключен к входу соответствующего элемента сравнения, а управляющий вход каждого элемента запрета к выходу формирователя короткого импульса [4] Прототипом предлагаемого устройства для централизованной направленной защиты от замыканий на землю в сети с нейтралью, заземленной через высокоомный резистор, является последнее из описанных устройств.

Недостатком прототипа, как и предыдущих устройств, является то, что в нем используется информация только от группы линий, подключенных к одной секции сборных шин подстанции, и поэтому в описанных выше сетях 35 кВ он обладает низкой селективностью и чувствительностью, поскольку либо будет ложно срабатывать на линиях, связанных с неповрежденной секцией сборных шин, при замыкании на землю в сети из-за большого тока через межцепные емкости, либо, если ток и напряжение его срабатывания увеличить до такой степени, чтобы он не срабатывал в этом режиме, не будет чувствовать замыкания на землю на поврежденной линии, если эти замыкания происходят через большие переходные сопротивления.

Изобретение направлено на повышение селективности и чувствительности защиты путем использования дополнительной информации от трансформатора напряжения нулевой последовательности, подключенного ко второй секции сборных шин питающей подстанции, а также от трансформаторов тока, включенных в цепи высокоомных заземляющих резисторов.

Это достигается тем, что в известное устройство для централизованной направленной защиты от замыканий на землю, содержащее первый измерительный трансформатор напряжения нулевой последовательности, вход которого подключен к первой секции сборных шин питающей подстанции, а выход соединен со входом первого фильтра промышленной частоты, к выходу которого через последовательно включенные первый фазоповоротный блок и первый компаратор подключен первый вход первого логического элемента И, исполнительные органы в количестве, равном числу защищаемых линий n, дополнительно введены второй измерительный трансформатор напряжения нулевой последовательности, по три трансформатора тока в цепи каждой защищаемой линии, два трансформатора тока в цепях высокоомных заземляющих резисторов, n датчиков тока нулевой последовательности, n+1 фильтр промышленной частоты, 3n+3 компаратора, 2n+1 логический элемент И, 2n преобразователя прямоугольных импульсов в пилообразное напряжение, n расширителей импульсов, n+2 накладки оперативные, четыре пороговых органа, два согласующих элемента, второй фазоповоротный блок, сумматор, 2n+2 элемента сигнализации, два элемента выдержки времени, блок проверки исправности устройства, n резисторов и n диодов, причем трансформаторы тока в цепях защищаемых линий соединены по схеме фильтра токов нулевой последовательности, вход второго измерительного трансформатора напряжения нулевой последовательности подключен ко второй секции сборных шин питающей подстанции, а выход соединен со входом второго фильтра промышленной частоты, к выходу которого через последовательно включенные второй фазоповоротный блок и второй компаратор подключен первый вход второго логического элемента И, вход первого порогового органа соединен с выходом первого измерительного трансформатора напряжения нулевой последовательности, а его выход служит выходом первого сигнала о замыкании на землю, вход второго порогового органа соединен с выходом второго измерительного трансформатора напряжения нулевой последовательности, а его выход служит выходом второго сигнала о замыкании на землю, выходы первого и второго фильтров промышленной частоты через первый и второй согласующий элементы соединены с первым и вторым входами сумматора соответственно, выход сумматора через третий и четвертый компараторы подключен ко вторым входам первого и второго логических элементов И соответственно, к выходам которых присоединены входы первого и второго элементов сигнализации соответственно, входы третьего и четвертого пороговых органов подключены к трансформаторам тока, включенным в цепи высокоомных заземляющих резисторов, а их первые выходы соединены соответственно с первыми выводами первой и второй накладок оперативных, вторые выходы третьего и четвертого пороговых органов соединены с входами первого и второго элементов выдержки времени, выходы которого служат выходами сигналов на отключение соответствующих выключателей, входы n датчиков тока нулевой последовательности включены соответственно в нулевой провод трансформаторов тока защищаемых линий, а их выходы через последовательно соединенные третьи фильтры промышленной частоты, пятые компараторы, третьи логические элементы И, первые преобразователи прямоугольных импульсов в пилообразное напряжение, шестые компараторы, расширители импульсов, четвертые логические элементы И, вторые преобразователи прямоугольных импульсов в пилообразное напряжение, седьмые компараторы и исполнительные органы соединены с первыми выводами третьих накладок оперативных, вторые выводы которых служат выходами сигналов на отключение соответствующих защищаемых линий, входы третьих и четвертых элементов сигнализации подключены соответственно к выходам четвертых логических элементов И и исполнительных органов, первые выводы n резисторов присоединены к плюсовой шине источника питания, а их вторые выводы объединены с анодными выводами соответствующих диодов и подключены к вторым входам четвертых логических элементов И, катодные выводы диодов, принадлежащих защитам линий, подключенных к первой секции сборных шин, соединены с вторым выводом первой накладки оперативной, а катодные выводы диодов, принадлежащих защитам линий, подключенных ко второй секции сборных шин, соединены с вторым выводом второй накладки оперативной, вторые входы четвертых элементов И, принадлежащих защитам линий, подключенных к первой секции сборных шин, соединены с выходом первого логического элемента И, а вторые входы четвертых элементов И, принадлежащих защитам линий, подключенных ко второй секции сборных шин, соединены с выходом второго логического элемента И, а основные выходы блока проверки исправности устройства соединены с входами первого, второго и третьих компараторов и первым входом сумматора, дополнительный выход блока проверки исправности устройства соединен со вторым входом сумматор.

На фиг.1 приведена структурная схема предлагаемого устройства для централизованной направленной защиты от замыканий на землю; на фиг.2 схема питающей подстанции, на второй предлагается использовать предлагаемое устройство; на фиг.3 схема фазоповоротного блока; на фиг.4 схема согласующего элемента; на фиг.5 схема преобразователя прямоугольных импульсов в пилообразное напряжение; на фиг.6 схема расширителя импульсов; на фиг.7 схема замещения сети для режима однофазного замыкания на землю; на фиг.8 фазовая характеристика защиты линии электропередачи от замыканий на землю; на фиг.9 эпюры сигналов на выходах элементов схемы; на фиг.10 - пример схемы блока проверки предлагаемого устройства.

Предлагаемое устройство для централизованной направленной защиты от замыканий на землю в сетях с нейтралью, заземленной через высокоомный резистор (фиг. 1) содержит первый фильтр промышленной частоты 1, вход которого присоединен к выходу первого измерительного трансформатора напряжения, подключенного к первой секции сборных шин подстанции. Первый фильтр промышленной частоты 1 предназначен для выделения из входного сигнала составляющей частотой 50 Гц. Он выполнен по любой из стандартных схем, описанных, например, в [5-8] и взят без изменения из прототипа.

Выход первого фильтра промышленной частоты 1 соединен с входом первого фазоповоротного блока 2, предназначенного для сдвига поступающего на него сигнала по фазе. Его исполнение будет пояснено ниже (фиг.3).

Выход первого фазоповоротного блока 2 соединен с входом первого компаратора 3, предназначенного для формирования единичного выходного сигнала при условии, если входной сигнал превышает по величине порог срабатывания. Он выполнен по любой из стандартных схем, описанных, например, в [5-8] Выход первого компаратора 3 соединен с первым входом первого логического элемента И 4, предназначенного для выполнения логической операции И. Элемент И выполнен по стандартной схеме.

Вход первого порогового органа 5 соединен с выходом первого измерительного трансформатора напряжения. Пороговый орган 5 предназначен для формирования входного сигнала при условии превышения входным сигналом заданной величины. Выход порогового органа 5 служит выходом первого сигнала о замыкании на землю. В качестве порогового органа 5 может быть использовано реле напряжения из числа, например, описанных в [9] Вход первого согласующего элемента 6, предназначенного для формирования выпрямленного и сглаженного выходного сигнала, пропорционального входному, присоединен к выходу первого фильтра промышленной частоты 1. Согласующий элемент 6 может быть реализован, например, по схеме, приведенной на фиг.4, и описан ниже.

Первый вход сумматора 7 подключен к выходу согласующего элемента 6. Сумматор 7 предназначен для формирования выходного сигнала, пропорционального сумме входных сигналов, взятых с противоположными знаками. Он может быть выполнен по любой из схем, описанных в [5-8] Выход сумматора 7 соединен с входом третьего компаратора 8, предназначенного для формирования единичного выходного сигнала при условии, что величина входного сигнала превосходит заданное значение. Этот компаратор, как и 3, может быть выполнен по схемам, описанным в [5-8] Выход компаратора 8 подключен к второму входу первого логического элемента И 4.

Вход второго фильтра промышленной частоты 9, аналогичного 1, присоединен к выходу второго измерительного трансформатора нулевой последовательности, а его выход подключен к входу второго фазоповоротного блока 10, аналогичного 2.

Вход второго компаратора 11, аналогичного 3, соединен с выходом второго фазоповоротного блока 10, а его выход подключен к первому входу второго логического элемента И 12, аналогичного 4.

Вход четвертого компаратора 13, аналогичного 3, подключен к выходу сумматора 7, а его выход соединен с вторым входом второго логического элемента И 12.

Вход второго порогового органа 14, аналогичного 5, подключен к выходу второго измерительного трансформатора напряжения нулевой последовательности, а его выход служит выходом второго сигнала о замыкании на землю.

Вход второго согласующего элемента 15, аналогичного 6, присоединен к выходу второго фильтра промышленной частоты 9, а его выход подключен к второму входу сумматора 7.

Вход первого элемента сигнализации 16, предназначенного для сигнализации наличия сигнала на его входе, соединен с выходом элемента 4. Элемент 16 сигнализации может быть, например, выполнен в виде цепочки из последовательно соединенных светодиода и токоограничивающего резистора [5-8] Вход второго элемента сигнализации 17, аналогичного 16, соединен с выходом элемента 12.

Вход датчика тока 18, предназначенного для преобразования входного тока нулевой последовательности в сигнал, удобный для обработки в последующих элементах, подключен к выводам трансформаторов тока защищаемой линии, собранных по схеме фильтра токов нулевой последовательности [9] Датчик тока 18 может быть, например, выполнен в виде трансреактора в соответствии с описанным в [9]
Вход третьего фильтра промышленной частоты 19, аналогичного 1 и 9, присоединен к выходу датчика тока 18, а его выход подключен ко входу пятого компаратора 20, аналогичного 3, 11.

Первый вход третьего логического элемента И 21, предназначенного для реализации соответствующей логической функции, подключен к выходу компаратора 20, а второй его вход к выходу первого логического элемента И 4.

Вход первого преобразователя прямоугольных импульсов в пилообразное напряжение 22 подключен к выходу логического элемента И 21. Преобразователь 22 предназначен для преобразования прямоугольных импульсов в пилообразное напряжение и может быть выполнен, например, в соответствии с фиг.5.

Вход шестого компаратора 23, аналогичного 3, 11, подключен к выходу преобразователя 22, а его выход соединен со входом расширителя импульсов 24, предназначенного для формирования импульса шириной не менее одного-полутора периодов промышленной частоты при поступлении на его вход короткого импульса. Расширитель импульсов 24 может быть выполнен, например, по схеме фиг.6.

Первый вход четвертого логического элемента И 25 присоединен к выходу расширителя импульсов 24, а его второй вход подключен к объединенным выводам резистора 26 и диода 27. Второй вывод резистора 26 соединен с положительной шиной источника питания.

Вход второго преобразователя прямоугольных импульсов в пилообразное напряжение 28, аналогичного 22, подключен к выходу четвертого логического элемента 25, а его выход соединен с входом седьмого компаратора 29, аналогичного 3, 11.

Вход исполнительного органа 30, предназначенного для формирования выходного сигнала на отключение линии, присоединен к выходу компаратора 29. Исполнительный орган 30 соединен, как и в прототипе, последовательно включенные усилитель мощности, описанный, например, в [10] и выходное промежуточное реле из числа описанных, например, в [9, 11]
Первый вывод третьей накладки оперативной 31, предназначенной для замыкания и размыкания выходной цепи защиты в процессе эксплуатации, соединен с выходом исполнительного органа 30. Накладка оперативная 31 представляет собой простейший электрический переключатель, широко используемый в схемах релейной защиты, и показана, например, в [9] Второй вывод третьей накладки оперативной служит выходом сигнала на отключение защищаемой линии.

Вход третьего элемента сигнализации 32, аналогичного 16, подключен к выходу логического элемента И-25, а вход четвертого элемента сигнализации 33, аналогичного 16, подключен к выходу исполнительного органа 30.

Элементы начиная с 18 по 33 входят в состав блока 34 защиты первой линии. В состав предлагаемого устройства входит n таких блоков (34, 35, 36, 37, 38, 39.) по числу защищаемых линий.

Основные выходы блока 40 проверки исправности устройства, предназначенного для проверки исправности предлагаемого устройства, подключены ко входам первого и второго компараторов 3 и 11, а также ко входам пятых компараторов 20, входящих в состав блоков защиты каждой линии и первому входу сумматора 7. Дополнительный выход блока 40 подключен к второму входу сумматора 7.

Вторые входы третьих логических элементов И 21, входящих в состав блоков 34, 35, 36 защиты линий, подключенных к первой секции сборных шин, соединены с выходом первого логического элемента И 4.

Вторые входы третьих логических элементов И 21, входящих в состав блоков 37, 38, 39 защиты линий, подключенных ко второй секции сборных шин, соединены с выходом второго логического элемента И 12.

Вход третьего порогового органа 41, предназначенного для формирования выходного сигнала при условии превышения входным сигналом пороговой величины, подключен к трансформатору тока, включенному в цепь высокоомного заземляющего резистора первой секции сборных шин. Третий пороговый орган 41 представляет собой стандартное реле тока, описанное, например, в [9-11]
Вход первого элемента выдержки времени 42, предназначенного для задержки выходных сигналов на заранее заданные времена относительно входного сигнала, присоединен ко второму выходу порогового органа 41. Выходы элемента выдержки времени 42 служат выходами сигналов на отключение соответствующих выключателей. Элемент выдержки времени 42 выполнен на базе стандартных реле времени, описанных, например, в [9, 11]
Первый выход порогового органа 41 соединен с первым выводом первой накладки оперативной 43, аналогичной 31. Второй вывод накладки 43 соединен с катодами диодов 27, принадлежащих блокам 34, 35, 36 защиты линий, присоединенных к первой секции сборных шин питающей подстанции.

Вход второго порогового органа 44, аналогичного 41, подключен к трансформатору тока, включенному в цепь высокоомного резистора второй секции сборных шин.

Вход второго элемента выдержки времени 45, аналогичного 42, присоединен ко второму выходу порогового органа 44, а его выходы служат выходами сигналов на отключение соответствующих выключателей.

Первый выход порогового органа 44 соединен с первым выводом второй накладки оперативной 46, аналогичной 31. Второй вывод накладки 46 соединен с катодами диодов 27, принадлежащих блоками 37, 38, 39 защиты линий, присоединенных ко второй секции сборных шин питающей подстанции.

На фиг. 2 приведен пример схемы питающей подстанции, на которой предлагается применить предлагаемое устройство защиты. Здесь: 47 и 48 - силовые трансформаторы, которые через выключатели 49 и 50 присоединены, например, к линиям электропередачи 110 кВ, а через выключатели 51 и 52 запитывают напряжением 35 кВ первую секцию 53 и вторую секцию 54 сборных шин подстанции соответственно. Нейтрали обмоток 35 кВ питающих силовых трансформаторов 47 и 48 заземлены соответствующие через высокоомные резисторы 55 и 56, в цепях которых установлены измерительные трансформаторы тока 57 и 58. К сборным шинам подстанции присоединены измерительные трансформаторы напряжения 59 и 60, выводы обмоток, соединенных в разомкнутый треугольник которых предназначены для использования в предлагаемом устройстве защиты. К каждой секции сборных шин подключено по три отходящих линии: к первой секции 53 линии 61, 62, 63, ко второй секции 54 линии 64, 65, 66, причем линии 61 и 64, 62 и 65, 63 и 66 попарно размещены на одних и тех же опорах, предназначены для питания одних и тех же потребителей и имеют между собой значительные межцепные емкости. В цепях соответствующих линий установлены выключатели 67, 68, 69, 70, 71, 72, а также трехтрансформаторные фильтры тока нулевой последовательности 73, 74, 75, 76, 77, 78, предназначенные для использования в предлагаемом устройстве защиты. Для связи секций сборных шин между собой предназначен секционный выключатель 79, который нормально отключен.

На фиг. 3 приведен пример схемы фазоповоротного блока. Здесь 80 вход блока, 81 его выход. Резистор 82, один вывод которого соединен с входом блока, и конденсатор 83, через который резистор 82 соединяется с общим проводом, предназначены для сдвига входного сигнала промышленной частоты на необходимый угол. Регулируемый резистор 84, включенный параллельно конденсатору 83, предназначен для регулирования выходного сигнала фазоповоротного блока по величине.

На фиг. 4 приведен пример схемы согласующего устройства. Здесь 85 вход устройства, 86 его выход. Делитель из последовательно включенных резисторов 87, 88 предназначен для снижения поступающего сигнала (утроенного напряжения нулевой последовательности) до необходимой величины, а диод 89 с конденсатором 90 для выпрямления и сглаживания сигнала.

На фиг.5 приведен пример схемы преобразователя 22, 28 прямоугольных импульсов в пилообразное напряжение. Например, вход преобразователя 22 присоединен к выходу логического элемента И 21, который изображен на фиг.1, 5. Левый вывод резистора 91 служит входом преобразователя 22, правый вывод диод 92 соединен с выходом преобразователя 22. Резистор 93 включен между шиной положительного напряжения источника питания и выходом преобразователя 22, конденсатор 94 включен между выходом преобразователя 22 и нулевым проводом.

На фиг. 6 приведен пример схемы расширителя импульсов 24. Входом расширителя импульсов 24 служит верхний вывод резистора 95, второй вывод которого соединен с нулевым проводом. База транзистора 96, предназначенного для работы в режиме эмиттерного повторителя, соединена с входом расширителя импульсов, а коллектор через резистор 97, предназначенный для ограничения тока, соединен с шиной положительного напряжения источника питания. Эмиттер транзистора 96 через диод 98 соединен с выходом расширителя импульсов 24. Между выходом расширителя импульсов 24 и нулевым проводом включены резистор 99, предназначенный для обеспечения нормальной работы логического элемента И
25 (по фиг.1), и конденсатор 100, предназначенный для "запоминания" поступившего на него импульса.

На фиг.7 приведена схема замещения сети для режима однофазного замыкания на землю. Здесь электродвижущая сила Е приложена в месте замыкания на землю, переходное сопротивление r_п включает в себя сопротивление дуги, контура заземления и других факторов в месте замыкания. R₅₅ и R₅₆ - сопротивления соответствующих заземляющих резисторов, С₁ и C₂ - емкости на землю линий электропередачи, подключенных к соответствующих секциям сборных шин подстанции, С₃ межцепная емкость линий.

На фиг. 8 приведена фазовая характеристика защиты линий от замыканий на землю.

На фиг.9 приведены эпюры сигналов на выходах некоторых элементов предлагаемого устройства.

На фиг.10 приведен пример схемы блока проверки 40 предлагаемого устройства. Здесь шина положительного потенциала источника питания через электрическую кнопку 101, диоды 102 и резисторы 103 соединена с основными выходами 104 блока 38. Кроме того, шина положительного потенциала источника питания через электрическую кнопку 105 и резистор 106 соединена с дополнительным выходом 107 блока 38.

Кнопки 101, 105 предназначены для коммутации проверочных сигналов в режиме проверки предлагаемого устройства, диоды 102 для "развязки" соответствующих цепей, а резисторы 103, 106 для ограничения токов в соответствующих цепях.

Предлагаемое устройство для централизованной направленной защиты от замыкания на землю в сетях с нейтралью, заземленной через высокоомный резистор, работает следующим образом.

На входы предлагаемого устройства (фиг.1) от измерительных трансформаторов тока и напряжения поступают сигналы о токах и напряжениях нулевой последовательности, а также о токах в заземляющих резисторах. В зависимости от величины этих сигналов и фазы сдвига между токами и напряжениями нулевой последовательности предлагаемое устройство формирует свои выходные сигналы.

Рассмотрим вначале процессы в сети 35 кВ.

Подстанция, на которой планируется установка предлагаемого устройства защиты (фиг. 2), содержит две секции сборных шин 53 и 54, питающееся от трансформаторов 47, 48 с напряжениями 110, 35 и 10 кВ. Нейтрали обмоток 35 киловольт обеих трансформаторов предполагается заземлить через высокоомные резисторы 55, 56, в цепях которых устанавливаются разъединители и трансформаторы тока 57, 58. Через выключатели 51, 52 эти силовые трансформаторы 47, 48 связаны с соответствующими секциями сборных шин 53, 54. На каждой секции установлен измерительный трансформатор напряжения 59, 60, соединенная в разомкнутый треугольник обмотка которого предназначена для использования в предлагаемом устройстве защиты. Секционный выключатель 79 нормально отключен.

От каждой секции сборных шин питается несколько линий 35 кВ (в рассматриваемом примере по три линии от каждой секции), причем линии - двухцепные. Например, линии 63 и 66 конструктивно располагаются на одних и тех же опорах и предназначены для питания одного и того же потребителя электроэнергии. То же самое относится и к парам линий 62 и 65, а также 61 и 64. На противоположном конце эти линии разомкнуты друг с другом, но за счет значительной межцепной емкости между ними возникает электрическая связь. В цепях линий установлены разъединители и выключатели 67, 68, 69, 70, 71, 72, а также трехфазные группы измерительных трансформаторов тока 73, 74, 75, 76, 77, 78. Эти трансформаторы тока используются для обычных защит линий, а их нулевой провод предназначен для подключения к предлагаемому устройству защиты.

Параметры высокоомных резисторов 55 и 56 выбираются таким образом, чтобы протекающий по ним при металлическом замыкании на землю ток примерно равнялся емкостному току. При этом, как показывают соответствующие расчеты и проведенные эксперименты, существенно снижается уровень перенапряжений в системе при замыкании на землю, а также практически исключается перемежающаяся дуга в месте повреждения.

При отсутствии замыкания на землю в системе на нейтралях трансформаторов присутствуют лишь незначительные по величине напряжения, обусловленные несимметрией нагрузки и линий. Токи в резисторах и токи нулевой последовательности по линиям практически равны нулю. В нулевом проводе трансформаторов тока 67, 68, 69, 70, 71, 72 протекают токи небаланса, обусловленные неидентичностью характеристик измерительных трансформаторов тока. От этих токов небаланса защита должна быть отстроена, то есть токи срабатывания блоков 34, 35, 36, 37, 38, 39. (фиг.1) защит соответствующих линий должны быть больше соответствующих токов небаланса, например, в 1,5-1,7 раза.

При возникновении замыкания на землю, например, в линии 61 (фиг.2), в месте повреждения образуется электродвижущая сила Е нулевой последовательности (фиг. 7), которая на схеме замещения включается последовательно с переходным сопротивлением r_п, возникающим в месте повреждения. Величина этого переходного сопротивления в разных случаях различна. При металлическом замыкании на заземленный грозозащитный трос или арматуру опоры она может быть близка к нулю. При падении фазного провода на землю в проваленном эксперименте было зафиксировано переходное сопротивление порядка 7-10 кОм, а при падении провода, например, на снежный сугроб зимой эта величина может быть еще больше.

В схеме замещения на фиг.7 R₅₅, R₅₆ сопротивления соответствующих заземляющих резисторов, C₁ и С₂ емкости на землю линий электропередачи, подключенных к соответствующим секциям сборных шин подстанции, С₃ межцепная емкость линий. Из схемы фиг.7 видно, что при замыкании на землю на линии 61 возникает не только напряжение U_н1 на нейтрали 35 кВ трансформатора 47, но и напряжение U_н2 на нейтрали 35 киловольт трансформатора 48. На рассматриваемой подстанции в эксперименте напряжение U_н2 cоставляло примерно 0,25 U_н1. В общем случае соотношение между U_н1 и U_н2 определяется параметрами элементов схемы замещения, изображенной на фиг.7.

Для удобства выполнения защиты в эксперименте, проведенном на одной из подстанций в Тюменской области, полярность токовых цепей 3 I_o была принята обратной относительно полярности напряжения 3 И_o. Тогда при замыкании на землю ток 3 I_o поврежденной линии опережает напряжение 3 U_с своей секции на угол, близкий к 45^o электрических (при изменении режима работы сети этот угол может несколько изменяться, например, в пределах 30-60^o). Если по условиям эксплуатации на секции сборных шин осталась в работе только одна линия, то ток 3 I_o при замыкании на землю будет близок к активному, то есть электрический угол близок к 0^o. Фазировку цепей тока и напряжения защиты удобно производить на работающей подстанции, но с отключенными резисторами (иначе они быстро перегреваются при замыкании на землю и могут выйти из строя). При отключенных резисторах и замыкании на землю в поврежденной линии при описанных выше условиях ток 3 I₀ опережает напряжение 3 И_o на угол, близкий к 90^o. Таким образом, зона срабатывания защиты должна надежно перекрывать диапазон от 0 до 90^o электрических и иметь вид, изображенный на фиг. 8. В то же время ток 3 I_o в неповрежденной линии, подключенной к той же секции сборных шин, что и поврежденная, отстает на 90^o от 3 U_o, вследствие чего этот угол должен надежно находиться в зоне несрабатывания защиты (фиг. 8).

В то время, как на "поврежденной" секции сборных шин токи в поврежденной и неповрежденных линиях отличаются по углу примерно на 135^o, на "неповрежденной" секции дело обстоит иначе. Все линии здесь находятся в одинаковых условиях, причем протекающие по ним токи нулевой последовательности можно условно разделить на две составляющие.

Первая составляющая тока 3 I_o замыкается через межцепные емкости С₃ (фиг.7) и емкости линий на землю С₂. Эта составляющая тока не протекает через трансформаторы тока 76, 77, 78, а замыкается непосредственно через емкости линий С₂.

Вторая составляющая тока 3 I_o замыкается через межцепные емкости С₃ и заземляющий резистор 56. Именно эта составляющая протекает через трансформаторы тока 76, 77, 78 и попадает в устройство защиты. Величина этих токов линий пропорциональна их длине (или, если двухцепная линия "расходится" на каком-то участке трассы, то пропорциональна длине их "совместного" участка). Поскольку все эти токи замыкаются через заземляющий резистор и имеют одинаковый характер, угол сдвига этих токов относительно напряжения нулевой последовательности (напряжения на заземляющем резисторе) составляет примерно 0^o электрических, то есть попадает в область срабатывания защиты. Следовательно, возникает два варианта отстройки защиты от этих токов:
отстройка по величине, что может существенно загрубить защиту;
аппаратная отстройка.

В предлагаемом устройстве защиты принят второй вариант. Здесь разрешение на срабатывание выдается (в виде опорного напряжения U_оп) только на те блоки защиты линий, которые относятся к "поврежденной" секции сборных шин подстанции. "Поврежденной" же секцией считается та, которой соответствует больший по величине ток в заземляющем резисторе, то есть большее напряжение на нейтрали 35 кВ трансформатора.

По аналогичной причине предлагаемое устройство защиты выполняется направленным, в противном случае блоки защиты линий пришлось бы отстраивать от емкостного тока своих линий [9, 10]
В сети 35 кВ с воздушными линиями нет необходимости в быстродействующем отключении линий при замыкании на землю. Ограничения накладывает лишь заземляющий резистор, который может перегреться и выйти из строя при длительном протекании опасного для него тока. В связи с этим, исходя из тепловых характеристик разработанных резисторов, защита линий может быть выполнена с выдержкой времени, например, порядка 2,5-5 с, а защита резисторов с выдержкой времени, например, 7-8 с. с действием на отключение выключателей 51, 52 (со стороны 35 кВ питающих трансформаторов 47, 48) и с выдержкой времени резервной ступени порядка 8-9 с. с действием на отключение выключателей 49, 50 (со стороны 110 кВ).

В связи с этим нет необходимости рассматривать действие предлагаемого устройства в переходных режимах, так как за время 2,5-5 с. переходные процессы затухнут.

Большие переходные сопротивления в месте повреждения облегчают работу заземляющих резисторов, так как уменьшают ток замыкания, практически исключают возможность использования в качестве рабочего сигнала высших гармоник токов 3 I_o и повышают требования к чувствительности защиты. В связи с этим представляется целесообразным разделить зону срабатывания защиты на две части в зависимости от протекающего по линиям тока:
при малых токах, не опасных с точки зрения термической стойкости резистора, обеспечить действие блоков защиты линий на сигнал с целью селективной сигнализации поврежденной линии;
при значительных по величине токах, опасных с точки зрения термической стойкости резистора, обеспечить действие блоков защиты линий на отключение.

В исходном состоянии, при отсутствии замыканий на землю в сети, напряжения 3 Uo на выводах измерительных трансформаторов напряжения 59, 60 (фиг.2) близки к нулю, следовательно, близки к нулю сигналы на входах пороговых органов 5 и 14 (фиг.1), а также фильтров 1 и 9 промышленной частоты. Отсутствуют сигналы и на выходах пороговых органов 5, 14.

Поскольку в этом режиме напряжения на нейтралях 35 кВ трансформаторов 47, 48 близки к нулю (фиг.2), близки к нулю токи по заземляющим резисторам 55, 56 и, следовательно, токи в измерительных трансформаторах тока 57, 58. Таким образом, близки к нулю сигналы на входах пороговых органов 41 и 44 (фиг. 1), отсутствуют сигналы на выходах этих пороговых органов и на выходах элементов выдержки времени 42, 45.

Токи небаланса в нулевых проводах измерительных трансформаторов тока 73, 74, 75, 76, 77, 78 (фиг.2) малы и блоки защиты линий 34, 35, 36, 37, 38, 39 (фиг. 1), на которые поступают сигналы с соответствующих трансформаторов тока, не срабатывают.

При металлическом замыкании на землю, например, на линии 61 (фиг.2), на секции 53 сборных шин подстанции возникает значительное (близкое к утреннему фазному напряжению) напряжение 3 U^I_o, а на секции 54 меньшее по величине напряжение 3 U^I_o^I, величина которого определяется параметрами схемы замещения сети (фиг.7). Как правило, величина 3 U^I_o^I в несколько раз меньше, чем 3 3U^I_o. При этом на выводах соединенной в разомкнутый треугольник обмотки измерительного трансформатора напряжения 59 (фиг.2) возникает напряжение, близкое к 100 В, а на выводах трансформатора напряжения 60 напряжение в несколько раз ниже 100 В.

Одновременно в цепях заземляющих резисторов 55 и 56 возникают токи, пропорциональные по величине напряжениям 3 U_o соответствующих секций. Соответствующие токи протекают по вторичным обмоткам трансформаторов тока 57 и 58, причем ток во вторичной обмотке трансформатора тока 57 в несколько раз превышает ток трансформатора тока 58.

В этом же режиме появляются значительные по величине токи в нулевых проводах трансформаторов тока 73, 74, 75, 76, 77, 78. В соответствии с ранее описанным ток 3 I_o трансформатора тока 73 лежит в зоне действия защиты (фиг. 8) (опережает напряжение 3 U_o на угол 0-60^o)<токи 3 I_o трансформаторов тока 74 и 75 лежат вне зоны действия защиты (отстают от 3 U_o примерно на 90^o. Токи 3 I_o трансформаторов тока 76, 77, 78 имеют примерно одинаковую фазу и совпадают по фазовому углу с напряжением 3 U_o своей секции 54 (фиг.2).

Напряжение 3 U_o от трансформатора напряжения 59 поступает на вход фильтра промышленной частоты 1 (фиг.1), который выделяет из поступившего сигнала составляющую частотой 50 Гц, с него на фазоповоротный блок 2 (фиг.1, 3). В зависимости от соотношения параметров резисторов 82, 84 (обычно сопротивление резистора 84 принимается в несколько раз большим, чем сопротивление резистора 82) и конденсатора 83, напряжение на выходе фазоповоротного блока отстает от поступающего на вход этого блока напряжения на угол, лежащий в пределах от 0 до 90^o. Соответствующий подбор параметров фазоповоротного блока обеспечивает расположение середины зоны срабатывания фазовой характеристики защиты (фиг.8) примерно на уровне -45^o электрических.

Сигнал 3 3U^I_o с выхода фазоповоротного блока 2 (фиг.1) поступает на вход компаратора 3, вырабатывающего единичные логические сигналы в том случае, когда поступающий на него сигнал больше порогового значения (фиг.9). Порог U^I_пор срабатывания компаратора 3 выбирается большим, чем напряжение небаланса нулевой последовательности при отсутствии замыкания на землю в сети. Таким образом, сигнал на выходе компаратора 3 (фиг.1) (опорное напряжение U_оп на фиг. 9) представляет собой прямоугольные импульсы напряжения с частотой следования 50 Гц. Эти импульсы несут в себе информацию о фазе напряжения 3 U_o, а также информацию о том, что напряжение 3 U_оп превысило порог чувствительности предлагаемого устройства.

Опорное напряжение U_оп поступает на первый вход логического элемента И -4 (фиг.1).

Сигнал с выхода фильтра промышленной частоты 1 поступает также на вход согласующего элемента 6 (фиг.1, 4), уменьшается по величине на делителе из резисторов 88, 87, выпрямляется и сглаживается посредством диода 89 и конденсатора 90. В результате сигнал на выходе согласующего элемента 6 напряжением постоянного тока, пропорциональным по величине напряжению 3 U_o секции 53 (фиг.2).

Аналогично напряжение 3 U_o секции 54, поступив с трансформатора напряжения 60 (фиг.2) на фильтр промышленной частоты 9 (фиг.1), а с него на согласующий элемент 15, также преобразуется в напряжение постоянного тока, пропорциональное по величине напряжению 3 U_o секции 54 (фиг.2) (на выходе элемента 15 фиг.1).

Эти два напряжения суммируются на сумматоре 7 (фиг.1), причем суммирование ведется с противоположными знаками. Напряжению, поступающему с элемента 6, присваивается знак "плюс", а напряжению, поступающему с элемента 15, знак "минус". Поскольку в рассматриваемом режиме напряжение 3 U_o секции 53 (фиг. 2) больше, чем аналогичное напряжение секции 54, знак напряжения на выходе сумматора 7 (фиг.1) положительный. При замыкании на землю на одной из линий электропередачи из числа питающихся от секции 54 (фиг.2) подстанции знак напряжения на выходе сумматора 7 (фиг.1) изменится на противоположный.

Знак напряжения на выходе сумматора 7 является определяющим для выбора "поврежденной" секции распредустройства на подстанции. Поскольку в рассматриваемом случае (при замыкании на землю на линии 61 фиг.2) знак сигнала на выходе сумматора 7 положительный, следует дать разрешение на срабатывание блоков защит линий, питающихся от секции 53, защиты же линий, питающихся от секции 54 (фиг.2), блокируются. Это достигается следующим образом. Компаратор 8 (фиг.1) срабатывает от сигналов положительной полярности и выдает единичный логический сигнал на второй вход логического элемента И -4, после его опорное напряжение U_оп c выхода элемента 4 подается на соответствующие входы блоков 34, 35, 36 (фиг.1) защит линий 61, 62, 63 (фиг.2), питающихся от секции 53 сборных шин.

Аналогичное же напряжение U_оп, сформированное на выходе компаратора 11 (фиг.1), не проходит на выход элемента И -12, так как компаратор 13 срабатывает только от сигналов отрицательной полярности, а в рассматриваемом режиме на него с выхода сумматора 7 выдается сигнал положительной полярности. В результате на втором входе элемента И -12 единичный логический сигнал отсутствует и сигнал на выходе элемента 12 равен нулю. Опорное напряжение U_оп на входы блоков защиты 37, 38, 39 линий 64, 65, 66 (фиг.2) не выдается, в результате его эти блоки сработать не могут и линии 64, 65, 66 в рассматриваемом режиме не отключаются.

Если бы произошло замыкание на землю на одной из линий 64, 65, 66, то аналогично описанному выше, опорное напряжение выдавалось бы на блоки защиты 37, 38, 39 (фиг.1) и не выдавалось бы на блоки 34, 35, 36.

Элементы сигнализации 16, 17 показывают, на какие именно блоки защиты выдается опорное напряжение.

Одновременно с описанными выше процессами токи с измерительных трансформаторов тока 57 и 58 (фиг.2) поступают на входы пороговых органов 41 и 44 соответственно. Оба этих пороговых органа имеют ток срабатывания примерно в 1,2-1,4 раза выше, чем ток в заземляющем резисторе "неповрежденной" секции. Поэтому пороговый орган 44 (фиг. 1) не срабатывает, а пороговый орган 41 срабатывает. Пороговые органы 41 и 44 представляют собой обычные токовые реле, описанные, например, в [9-11] В качестве первого выхода этих пороговых органов используется один вывод размыкающего контакта реле, второй вывод которого соединен с общим проводом. В качестве второго выхода этих пороговых органов используется один вывод замыкающего контакта реле, второй вывод которого соединен с положительной шиной источника оперативного тока.

Таким образом, пороговый орган 41 (фиг.1), срабатывая, снижает блокирующий сигнал со своего первого выхода. Раньше этот сигнал через накладку оперативную 43 поступал на катоды диодов 27, входящих в состав блоков 34, 35, 36 защиты, не давая защите сработать. Сигнал со второго выхода порогового органа 41 запускает элемент выдержки времени 42. Выдержки времени элемента 42 выше, чем выдержки времени защиты линий (блоков 34, 35, 36, 37, 38, 39), поэтому при исправной защите линий отключение поврежденной линии произойдет с запасом раньше, чем подействует на отключение элемент 42.

Одновременно с описанным выше в рассматриваемом режиме (при замыкании на землю на линии 61 фиг.2) токи 3 I_o от измерительных трансформаторов тока 73, 74, 75, 76, 77, 78 подаются на входы блоков 34, 35, 36, 37, 38, 39 (фиг.1) защиты линий.

Датчики тока 18 преобразуют поступающий на них ток в величины, удобные для использования в полупроводниковых элементах блоков 34, 35, 36, 37, 38, 39. Датчики тока 18 могут быть выполнены, например, в виде трансформаторов в соответствии с [9]
Фильтр промышленной частоты 19 выделяет из поступающего на него сигнала составляющую 50 Гц. отсеивая различные помехи.

Компаратор 20 формирует прямоугольные единичные сигналы в том случае, когда поступающий на него сигнал (3 I^I_o на фиг.9) больше порогового значения I_пор. Порог срабатывания компаратора 20 (фиг.1) выбирается большим, чем небаланс, поступающий на этот компаратор при отсутствии замыкания на землю в сети. Таким образом производится отстройка защиты от токов небаланса в режиме дежурства защиты. Таким образом, в рассматриваемом режиме сигнал на выходе компаратора 20 (U₂₀ на фиг.9) представляет собой прямоугольные импульсы напряжения с частотой следования 50 Гц. Эти импульсы несут в себе информацию о фазе тока 3 I_o, а также информацию о том, что ток 3 I_o превысил порог чувствительности предлагаемого устройства.

Угол поворота сигнала в фазоповоротном блоке 2 (фиг.1) выбирается таким, чтобы импульсы на выходе компаратора 20 совпадали по фазе с опорным напряжением U_оп, поступающим с логического элемента И-4 в том случае, когда ток 3 I_o опережает напряжение 3 U_o примерно на 45^o электрических. Сигналы с выхода элемента И-4 и компаратора 20 (фиг.1) поступают на входы логического элемента И-21 и в описываемом случае вызывают появление на выходе элемента И-21 максимальных по длительности прямоугольных импульсов, продолжительность каждого из которых не превышает половины периода промышленной частоты.

Если угол между 3 I_o и 3 U_o отклоняется от -45^o, то длительность прямоугольных импульсов, сформированных на выходе логического элемента И-21, уменьшается (U₂₁ на фиг.9).

В преобразователе прямоугольных импульсов в пилообразное напряжение 22 прямоугольные импульсы U₂₁, поступающие с выхода элемента И -21 (фиг.1), преобразуются в пилообразное напряжение (U₂₂ на фиг.9).

На фиг.5 приведен пример схемы преобразователя 22. Входным сигналом здесь является выходной сигнал элемента И -21. Когда этот сигнал равен нулю, диод 92 (фиг. 5) открыт и резистор 91 шунтирует конденсатор 94. Поскольку сопротивление резистора 91 во много раз меньше сопротивления резистора 93, напряжение на конденсаторе 94 близко к нулю. Когда напряжение на выходе элемента И -21 становится равным единице, диод 92 закрывается и конденсатор 94 начинает заряжаться через резистор 93. После окончания прямоугольного импульса U₂₁ конденсатор 94 опять быстро разряжается через резистор 91 на выход элемента И -21. В результате напряжение на конденсаторе 94 (а, следовательно, и на выходе преобразователя 22) имеет вид U₂₂, изображенный на фиг. 9.

В компараторе 23 (фиг.1) напряжение U₂₂ сравнивается с пороговым значением U^II_пор, определяющим ширину зоны срабатывания. На фазовой характеристике устройства, изображенной на фиг.8. Прямоугольные импульсы И₂₃ (фиг.9) формируются на выходе компаратора 23 (фиг.1) в те моменты, когда U₂₂≥ U^II_пор..

Расширитель импульсов 24 (фиг.1) увеличивает ширину сигнальных импульсов, снимаемых с компаратора 23. Пример схемы расширителя импульсов 24 приведен на фиг.6.

Входной импульс U₂₃ выделяется на резисторе 95 (фиг.6) и открывает транзистор 96. Через резистор 97, ограничивающий максимальное значение тока, и через диод 98 заряжается конденсатор 100. Поскольку допустимый ток транзистора существенно выше, например, выходного тока микросхемы, заряд конденсатора 100 происходит достаточно быстро, так как величина сопротивления 97 может быть принята низкой. Резистор 99 необходим исходя из обеспечения нулевого значения входного сигнала элемента И-25 в нормальном режиме, но величина сопротивления резистора 99 может быть принята примерно на один-два порядка выше, чем сопротивление резистора 97. Поэтому разряд конденсатора 100 происходит на порядок-два медленнее, чем его заряд. В результате форма кривой сигнала на конденсаторе 100 U₂₄ имеет вид, изображенный на фиг.9.

Cигнал U₂₄ поступает на нижний вход элемента И-25 (фиг.1, 6). Поскольку нулевой потенциал с катода диода 27 в рассматриваемом режиме снят (то есть снят блокирующий сигнал с блока защиты линии 61), то на второй вход логического элемента И-25 через резистор 26 (фиг.1) также поступает единичный логический сигнал и на выходе элемента И-25 тоже появится единичный сигнал. Сигнальный элемент 32 сигнализирует, что условия срабатывания блока 34 защиты линии 61 обеспечиваются.

Сигнал с выхода элемента И-25 поступает также на преобразователь прямоугольных импульсов в пилообразное напряжение 28, выполненный аналогично 22. Сигнал U₂₈ на выходе преобразователя 28 имеет вид, изображенный на фиг.9. Когда его величина достигает порога срабатывания компаратора 29, компаратор 29 срабатывает и на его выходе появляется единичный сигнал (сигнал U₂₉ на фиг.9). Преобразователь 28 и компаратор 29 реализуют выдержку времени защиты линии от замыкания на землю. Регулировка этой выдержки времени обеспечивается изменением порога срабатывания компаратора 29 (фиг.1).

Сигнал с выхода компаратора 29 поступает на вход исполнительного органа 30, в состав которого входит усилитель мощности (например, транзисторный ключ) и выходное реле с достаточно мощными контактами, способными коммутировать цепи отключения линии. Накладка оперативная 31 в рассматриваемом режиме замкнут и сигнал с выхода исполнительного органа 30 действует на отключение выключателя 67 (фиг.2) поврежденной линии 61.

Поскольку выдержка времени защиты линий выбрана с запасом меньше, чем выдержка времени элемента 42 (фиг.1), после отключения поврежденной линии пороговый орган 41 возвращается в исходное состояние и вместе с ним возвращается в исходное состояние элемент выдержки времени 42, так и не успев подействовать на отключение.

В рассматриваемом режиме опорное напряжение выдано не только на блок 34 (фиг.1) защиты линии 61, но и на аналогичные блоки 35, 36. Однако, как отмечалось выше, токи 3 I_o в линиях 62, 63, на которых установлены блоки 35, 36, отстают от напряжения 3 U_o в рассматриваемом режиме примерно, на 90^o и выходят за пределы зоны срабатывания защиты. В результате импульсы на выходах элементов 21 (фиг.1) в блоках 35, 36 оказываются недостаточно длинными и эти блоки не срабатывают.

В режиме замыкания на землю на линии 61 через значительное переходное сопротивление токи через резисторы 55, 56 (фиг.2) оказываются меньше, чем в предыдущем случае. Если их величина недостаточна для срабатывания пороговых органов 41, 44 (фиг.1), то есть эти токи не опасны с точки зрения термической стойкости резисторов 55, 56, то пороговые органы 41, 44 не срабатывают и не снимают блокирующий сигнал (сигнал нулевого потенциала) с катодов диодов 27 (фиг. 1). При этом логический элемент И-25, принадлежащий блоку 34, не пропускает поступающий на него сигнал с расширителя импульсов 24, и блок защиты 34 не отключает поврежденную линию. В этом режиме предлагаемое устройство работает как селективный сигнальный орган. При этом срабатывают от напряжения 3 U_o пороговые органы 5 и 14 и выдают сигнал обслуживающему персоналу о том, что в сети произошло замыкание на землю. По этому сигналу бригада обслуживающего персонала отправляется к месту установки защиты и по показаниям имеющихся на подстанции вольтметров, измеряющих 3 U_o, или по свечению элементов сигнализации 16, 17 определяют, на какой группе линий произошло повреждение (на соответствующей секции величина напряжения 3 U_o окажется выше). После этого, если принято решение сразу же отключить поврежденную линию, следует разомкнуть накладку 43 или 46 (фиг.1), соответствующую "поврежденной" секции. При этом с блоков защиты линий будет снят блокирующий сигнал и сработает тот блок, который соответствует поврежденной линии, после чего линия будет отключена в соответствии с описанием предыдущего режима. После отключения линии накладки 43 и 46 следует снова замкнуть.

Если же перед отключением линии желательно уведомить потребителя о предстоящем отключении, то следует в описанном режиме сначала разомкнуть выходные накладки 31 (фиг.1) в цепях защит линий, а уж затем размыкать накладки 43, 46. При этом соответствующий поврежденной линии блок защиты 34 (или 35, 36, 37, 38, 39) сработает, но на отключение линии не подействует. На сработавшем же блоке будут светиться сигнальные светодиоды в элементах сигнализации 32, 33. По свечению этих светодиодов выявляется поврежденная линия, которую затем, после уведомления потребителя, можно отключить обычным путем. Все накладки после отключения следует вернуть в исходное положение.

При замыкании на землю на сборных шинах подстанции или при отказе защиты линии при замыкании на землю на линии блоки защиты линий не срабатывают и линии электропередачи отключаться не будут. Сработавший пороговый орган 41 (фиг.1) или 44 запустит элемент выдержки времени 42 (или 45), который вначале выдает сигнал на отключение секционного выключателя 79 (если он был включен), затем на отключение выключателя 51 (или 52) и, если токи в цепях заземляющих резисторов не уменьшатся (например, при замыкании на землю на ошиновке между выключателем 51 и трансформатором 47 фиг.2), на отключение выключателя 49 (или 50) на стороне 110 кВ питающего трансформатора.

Для проверки исправности предлагаемого устройства следует кратковременно нажать кнопку 101 (фиг.10) в блоке 40 проверки исправности. При этом через диоды 102 и резисторы 103 проверочные сигналы поступают на входы элементов 3, 11, 7, 20 (фиг.1), соответствующие элементы сработают и должны засветиться светодиоды в элементах сигнализации 32 блоков 34, 35, 36 защиты линий. Защита при этом на отключение не подействует за счет имеющейся выдержки времени на срабатывание (реализуемой в блоках 28, 29).

Затем следует кратковременно и одновременно нажать кнопки 101 и 105 в блоке 40 (фиг. 10, фиг. 1). Поскольку сопротивление резистора 106 выбирается примерно в два раза меньшим, чем у резистора 103, на этот раз напряжение на выходе сумматора 7 (фиг.1) будет отрицательным и должны засветиться светодиоды в элементах сигнализации 32 блоков 37, 38, 39 защиты линий.

Если необходимо проверить исправность исполнительных органов 30, а также элементов 28, 29, следует предварительно разомкнуть накладки 31, а затем выполнить проверку так, как описано выше, но при длительном нажатии соответствующих кнопок.

Из описанного видно, что в предлагаемом устройстве, в отличие от прототипа, используется информация не только от группы линий, подключенных к одной секции сборных шин подстанции, но также и от второй секции сборных шин. В результате оно не срабатывает неселективно от токов неповрежденных линий, возникших за счет большой межцепной емкости. Поскольку не требуется отстройка от этих токов, чувствительность предлагаемого устройства может быть более высокой, чем у прототипа. Как показал проведенный эксперимент, применительно к рассматриваемой подстанции (фиг.2), чувствительность предлагаемого устройства может быть принята в 2-2,5 раза выше, чем у прототипа. Это дает возможность предлагаемому устройству чувствовать замыкания на землю через такие переходные сопротивления (10-15 кОм), при которых прототип не подействовал бы.

Кроме того, предлагаемое устройство способно обеспечить защиту заземляющих резисторов, а также селективную сигнализацию без отключения поврежденной линии при малых токах замыкания на землю (при значительных переходных сопротивлениях), а при больших токах, опасных для резисторов, действовать на автоматическое отключение поврежденной линии, на что прототип не способен.

Все это повышает эффективность работы релейной защиты и энергосистемы в целом.

Формула изобретения

Устройство для централизованной направленной защиты от замыканий на землю в сети с нейтралью, заземленной через высокоомный резистор, содержащее первый измерительный трансформатор напряжения нулевой последовательности, вход которого подключен к первой секции сборных шин питающей подстанции, а выход соединен с входом первого фильтра промышленной частоты, к выходу которого через последовательно включенные первый фазоповоротный блок и первый компаратор подключен первый вход первого логического элемента И, исполнительные органы в количестве, равном числу защищаемых линий n, отличающееся тем, что в него введены второй измерительный трансформатор напряжения нулевой последовательности, по три трансформатора тока в цепи каждой защищаемой линии, два трансформатора тока в цепях высокоомных заземляющих резисторов, n датчиков тока нулевой последовательности, n + 1 фильтр промышленной частоты, 3n + 3 компаратора, 2n + 1 логический элемент И, 2n преобразователей прямоугольных импульсов в пилообразное напряжение, n расширителей импульсов, n + 2 накладки оперативные, четыре пороговых органа, два согласующих элемента, второй фазоповоротный блок, сумматор, 2n + 2 элемента сигнализации, два элемента выдержки времени, блок проверки исправности устройства, n резисторов и n диодов, причем трансформаторы тока в цепях защищаемых линий соединены по схеме фильтра токов нулевой последовательности, вход второго измерительного трансформатора напряжения нулевой последовательности подключен к второй секции сборных шин питающей подстанции, а выход соединен с входом второго фильтра промышленной частоты, к выходу которого через последовательно включенные второй фазоповоротный блок и второй компаратор подключен первый вход второго логического элемента И, вход первого порогового органа соединен с выходом первого измерительного трансформатора напряжения нулевой последовательности, а его выход служит выходом первого сигнала о замыкании на землю, вход второго порогового органа соединен с выходом второго измерительного трансформатора напряжения нулевой последовательности, а его выход служит выходом второго сигналов о замыкании на землю, выходы первого и второго фильтров промышленной частоты через первый и второй согласующий элементы соединены с первым и вторым входами сумматора соответственно, выход сумматора через третий и четвертый компараторы подключен к вторым входам первого и второго логических элементов И соответственно, к выходам которых присоединены входы первого и второго элементов сигнализации соответственно, входы третьего и четвертого пороговых органов подключены к трансформаторам тока, включенным в цепи высокоомных заземляющих резисторов, а их первые выходы соединены соответственно с первыми выводами первой и второй накладок оперативных, вторые выходы третьего и четвертого пороговых органов соединены с входами первого и второго элементов выдержки времени, выходы которых служат выходами сигналов на отключение соответствующих выключателей, входы n датчиков тока нулевой последовательности включены соответственно в нулевой провод трансформаторов тока защищаемых линий, а их выходы через последовательно соединенные третьи фильтры промышленной частоты, пятые компараторы, третьи логические элементы И, первые преобразователи прямоугольных импульсов в пилообразное напряжение, шестые компараторы, расширители импульсов, четвертые логические элементы И, вторые преобразователи прямоугольных импульсов в пилообразное напряжение, седьмые компараторы и исполнительные органы соединены с первыми выводами третьих накладок оперативных, вторые выводы которых служат выходами сигналов на отключение соответствующих защищаемых линий, входы третьих и четвертых элементов сигнализации подключены соответственно к выходам четвертых логических элементов И и исполнительных органов, первые выводы n резисторов присоединены к плюсовой шине источника питания, а их вторые выводы объединены с анодными выводами соответствующих диодов и подключены к вторым входам четвертых логических элементов И, катодные выводы диодов принадлежащих защитам линий, подключенных к первой секции сборных шин, соединены с вторым выводом первой накладки оперативной, а катодные выводы диодов, принадлежащих защитам линий, подключенных к второй секции сборных шин, соединены с вторым выводом второй накладки оперативной, вторые входы третьих элементов И, принадлежащих защитам линий, подключенных к первой секции сборных шин, соединены с выходом первого логического элемента И, а вторые входы третьих элементов И, принадлежащих защитам линий, подключенных ко второй секции сборных шин, соединены с выходом второго логического элемента И, а основные выходы блока проверки исправности устройства соединены с входами первого, второго и пятых компараторов и первым входом сумматора, дополнительный выход блока проверки исправности устройства соединен с вторым входом сумматора.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5, Рисунок 6, Рисунок 7, Рисунок 8, Рисунок 9, Рисунок 10