Реле защиты

 

Изобретение относится к области электроэнергетики и может применяться в сетях 6 - 35 кВ с изолированной нейтралью, а также в аналогичных сетях низкого напряжения. Изобретение обеспечивает надежное определение поврежденного присоединения при однофазном замыкании на землю в широком диапазоне изменения сопротивления замыкания и исключает ложную работу реле при отсутствии в сети замыкания на землю. Сущность изобретения: это достигается тем, что реле снабжено блоком автоматического регулирования уставки срабатывания измерительного органа, изменяющего установленную уставку срабатывания по току в функции напряжения смещения нейтрали, причем указанный блок автоматического регулирования дополнительно осуществляет запрет срабатывания реле, если напряжение смещения нейтрали данной сети меньше заранее выбранного значения. 3 ил.

Предлагаемое изобретение относится к области электроэнергетики и может применяться в сетях 6 35 кВ с изолированной нейтралью, а также в аналогичных сетях низкого напряжения.

Широко известны и применяются в промышленности электромеханические токовые реле типов ЭТ521/0,2, РТ40/0,2, ЭТД551/60 и др. Обмотка такого реле подключается к вторичной обмотке трансформатора тока нулевой последовательности (ТТНП). При возникновении в сети с изолированной нейтралью однофазного замыкания на землю (ОЗЗ) на одном из присоединений во вторичных обмотках ТТНП всех присоединений сети протекает ток нулевой последовательности I₀. Этот же ток протекает и через обмотки электромеханических реле присоединений, отходящих от данной сети. Наибольшее значение тока протекает через обмотку реле поврежденного присоединения, т.е. присоединения, на котором произошло ОЗЗ. Реле этого присоединения срабатывает (включается) и далее либо дает команду на отключение этого поврежденного присоединения, либо подает сигнал (лампа, указательное реле, светодиод и т.п.) о появлении ОЗЗ на данном присоединении. Уставки тока срабатывания реле защиты от ОЗЗ рассчитываются специально и затем устанавливаются на всех реле присоединений, отходящих от данной сети. Уставки срабатывания реле индивидуальны для каждого присоединения.

Широко известны и применяются в промышленности электронные токовые реле типов РТЗ-50, РТЗ-51. Принцип их действия тот же, что и у электромеханические реле (т. е. они срабатывают при превышении током I₀ токовой уставки данного реле), но выполнены они с применением электронных элементов (транзисторы, диоды, операционные усилители и т.п.).

Общим недостатком токовых реле защиты от ОЗЗ является то, что уставка по току срабатывания не зависит от полноты однофазного замыкания на землю. Коэффициент полноты ОЗЗ β = U_o/U_ф, где U₀ напряжение смещения нейтрали сети в режиме ОЗЗ, U_ф фазное напряжение в нормальном режиме, когда ОЗЗ отсутствует.

Ток в месте замыкания на землю I_з, напряжение U₀ и коэффициент β зависят от значения сопротивления замыкания на землю R_з. Если ОЗЗ произошло через сопротивление R_з ≈ 0 (так называемое металлическое ОЗЗ), то U₀ U_ф и b 1, а ток I_з I_{з max}. Если же R_з= ∞ то U₀ 0, β 0 и I_з 0. Таким образом, при изменении сопротивления ОЗЗ R_з в диапазоне 0 ... ∞ напряжение U₀ изменяется в пределах U_ф.0, а коэффициент β 1.0. Ток в месте замыкания на землю I_з при этом изменяется в диапазоне I_{з max}.0.

Уставки по току срабатывания на реле защиты от ОЗЗ отходящих присоединений устанавливаются исходя из величин (0,7.0,9)I_{з max}. Следовательно, если ОЗЗ происходит через значительное сопротивление R_з, то ток I_з в месте замыкания, т.е. ток нулевой последовательности в поврежденном присоединении, не достигает тока срабатывания реле поврежденного присоединения, реле не сработает и не будет информации о том, какое же присоединение повреждено, т.е. на каком присоединении произошло ОЗЗ. При малых же уставках тока срабатывания происходят ложные срабатывания реле защиты от ОЗЗ, т.е. после возникновения ОЗЗ могут сработать два или несколько реле разных присоединений, тогда как ОЗЗ произошло только на одном присоединении.

Электронное реле РТЗ-51 (каталог МЭП 07.03.10-81, 1981г.) наиболее близко к предлагаемому изобретению по технической сущности и достигаемому результату. Оно служит прототипом к заявляемому реле.

Известное реле представляет собой реле тока. На вход реле подается от вторичной обмотки ТТНП защищаемого присоединения ток нулевой последовательности I₀. Входной блок реле содержит элементы защиты от чрезмерно больших входных токов I₀. Здесь же имеются элементы, с помощью которых устанавливается ток срабатывания реле.

Измерительный блок содержит пороговый элемент, в котором производится сравнение тока уставки (порога) и входного сигнала в виде тока I₀. Если входной ток нулевой последовательности I₀ превышает ток уставки реле, на выходе измерительного блока появляется сигнал, который поступает в исполнительный блок. Здесь он усиливается и приводит к включению выходного реле, которое включением (отключением) своих контактов включает сигнал (лампа, светодиод, указательное реле), свидетельствующий о повреждении данного присоединения. Иногда выходное реле действует на отключение выключателя поврежденного присоединения.

Известное реле характеризуется уже отмеченными недостатками.

Ток срабатывания реле (уставка срабатывания) не зависит от полноты замыкания на землю, в связи с чем при токах замыкания I_з и напряжении смещения нейтрали U₀, меньших 50.60% максимальных, реле многих присоединений могут не сработать и тогда поврежденное присоединение окажется не выявленным, что приведет к значительному технико-экономическому ущербу.

При заниженных уставках срабатывания по току (с целью избежать вышеуказанного недостатка) происходят ложные срабатывания реле, т. е. реле срабатывает при отсутствии ОЗЗ на защищаемом присоединении в режиме наличия ОЗЗ на другом присоединении.

Задачей настоящего предполагаемого изобретения является устранение указанных недостатков и повышение надежности правильного срабатывания реле в широком диапазоне изменения сопротивления R_з и тока I_з замыкания на землю.

Поставленная задача решается тем, что реле снабжено блоком автоматического регулирования тока срабатывания (уставки срабатывания по току) в функции напряжения смещения нейтрали сети.

В известных технических решениях совокупность признаков, сходных с совокупностью признаков, отличающих заявляемое реле от прототипа, не выявлена.

Сущность предлагаемого реле поясняется чертежом, где на фиг. 1 изображена функциональная схема заявляемого реле, а на фиг. 2, фиг. 3 зависимости тока срабатывания реле I_cp от напряжения смещения нейтрали U₀.

Реле содержит входной блок 1, измерительный блок 2, блок автоматического регулирования тока срабатывания (уставки срабатывания реле) 3 и исполнительный блок 4. Вход блока 1 соединен с вторичной обмоткой ТТНП отходящего присоединения, поэтому на вход блока 1 в режиме ОЗЗ подается в качестве сигнала ток нулевой последовательности I₀. Вход блока 3 соединен с выходом обмотки "разомкнутый треугольник" трансформатора напряжения, благодаря чему в режиме ОЗЗ на вход блока 3 поступает напряжение смещения нейтрали U₀. Наряду с другими элементами блок 1 содержит фильтр первой гармоники тока I₀, а блок 3 содержит фильтр первой гармоники напряжения U₀. На выходы блоков 1 и 3 поступают преобразованные в них согласно заданным законам первые гармоники соответственно тока I₀ и напряжения U₀. Уставка тока срабатывания реле устанавливается в блоке 1, а порог срабатывания по току устанавливается в блоке 2. Закон изменения порога срабатывания реле по току вырабатывается блоком 3. Выходы блоков 1 и 3 поступают на раздельные входы блока 2, выход последнего соединен с входом блока 4. Выход блока 4 в виде контактов выходного реле или электронных ключей (на схеме не показаны) включен в цепь элемента сигнализации (лампа, светодиод, указательное реле и т. п.), а при необходимости и в цепь электромагнита отключения выключателя защищаемого присоединения.

Закон изменения тока срабатывания реле I_cp в функции напряжения смещения нейтрали U₀ может быть разным. Общий его принцип состоит в том, что ток уставки I_cp уменьшается с уменьшением U₀. Можно выразиться иначе: ток I_cp увеличивается с увеличением U₀. Существует некоторый порог напряжения U₀, при котором защита от ОЗЗ на практике не работает, этот порог колеблется в диапазоне U_{0 нач} (0.0,15)U_{0 max}, где U_{0 max} U_ф. Здесь U_ф - фазное напряжение сети при отсутствии ОЗЗ. Обычно U_ф близко к номинальному фазному напряжению U_{ф. н}. Оптимальной является следующая зависимость I_cp от U₀: I_cp I_{cp. min} + k U₀ при U_{0 нач} < U₀≅ U_ф, I_cp I_{cp. min} при U₀ ≅ U_{0 нач}, (1) где Эта зависимость показана на фиг. 2. В диапазоне U₀=0.U_{0 нач} ток срабатывания реле I_cp имеет неизменное значение (заранее выбранное). С ростом напряжения смещения нейтрали U₀ сверх значения U_{0 нач} ток I_cp линейно возрастает.

Реле работает следующим образом. При отсутствии ОЗЗ напряжение U₀ ≈ 0, напряжение на входе блока 3 U₀ 0, ток нулевой последовательности I₀ на входе блока 1 также близок к нулю, реле не работает, его уставка по току срабатывания согласно фиг. 2 составляет I_{cp. min}. Эта же уставка сохраняется и при ОЗЗ в данной сети через большое сопротивление замыкания R_з, когда напряжение смещения нейтрали U₀ ≅ U_{0 нач}.

Пусть теперь ОЗЗ в сети произошло через сравнительно небольшое сопротивление R_з, при котором напряжение U₀ > U_{0 нач}. Будучи поданным на вход блока 3, это напряжение приведет к увеличению порога срабатывания блока 2 и ток срабатывания реле увеличится, его значение определится выражениями (1), (2), графически представленными на фиг. 2. Чем больше в режиме ОЗЗ напряжение смещения нейтрали U₀, тем больше уставка I_cp по току срабатывания реле.

Если ОЗЗ произошло не на данном присоединении, то поступающий на вход блока 1 ток I₀ будет меньше уставки срабатывания реле и оно не сработает. Если же ОЗЗ произошло на данном присоединении, то через его ТТНП будет протекать весь ток замыкания I_з всей сети; ток I₀ на входе блока 1 превысит ток уставки данного реле, измерительный блок 2 зафиксирует этот факт и выдаст сигнал в исполнительный блок 4. В результате сработает выходное реле (или электронный ключ) блока 4 и выдаст сигнал в систему сигнализации, на элемент индикации поврежденного присоединения и, если необходимо, на отключение выключателя поврежденного присоединения.

После ликвидации ОЗЗ или отключения поврежденного присоединения напряжение U₀ и ток I₀ падают до нуля, реле возвращается в исходное положение.

Блок автоматического регулирования 3 выполняет также функцию запрета срабатывания реле, если напряжение смещения нейтрали меньше заранее выбранного значения. Это нужно для предотвращения ложных срабатываний реле от различных помех, в том числе и от токов небаланса ТТНП. Напряжение запрета U_зап выбирается меньшим U_{0 нач}, например, U_зап 0,75 U_{0 нач}. Такая мера еще больше повышает вероятность правильной и четкой работы реле. Запрет срабатывания реле при U₀ < U_{0 нач} можно рассматривать так, как будто уставка по току срабатывания реле равна бесконечности. Тогда характеристику I_cp f(U₀) можно представить ломаной линией на фиг.3. Здесь точка на оси абцисс U₀ a·U_{0 нач}, где а < 1, означает запрет срабатывания реле по его токовой уставке, поскольку при малом U₀ ОЗЗ фактически не имеет места, а наблюдается несимметрия сопротивлений фаз сети (емкостей и активных сопротивлений изоляции) относительно земли.

Данное реле опробовано на макете сети в лабораторных условиях. Результаты испытаний вполне согласуются с изложенным в настоящей заявке. Подтверждена надежная и четкая работа реле.

Формула изобретения

Реле защиты отходящего присоединения электрический сети с изолированной нейтралью от однофазного замыкания на землю, содержащее входной блок, вход которого соединен с вторичной обмоткой трансформатора тока нулевой последовательности, а выход с одним из входов измерительного блока, выход которого соединен с исполнительным органом, отличающееся тем, что оно снабжено блоком автоматического регулирования тока срабатывания, подключенного к другому входу измерительного органа и реализующего функцию:
I_cp I_cp.min при U_o ≅ U_{о нач},
I_cp I_cp.min + KU_o при U_{о нач} < U ≅ U_ф.н
где коэффициент наклона линейной части зависимости I_cp f(U_o);
I_cp.min минимальный ток срабатывания реле;
U_{о нач} (0.0,15) U_ф.н начальное значение напряжения смещения нейтрали сети;
I_зmax наибольший ток однофазного металлического замыкания на землю в данной электрической сети;
U_ф.н номинальное фазное напряжение сети.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3