Способ защиты трехфазной сети с изолированной нейтралью от однофазных замыканий на землю

 

Изобретение относится к электротехнике и предназначено для защиты трехфазной сети с изолированной нейтралью от однофазных замыканий на землю, а также для защиты генератора, электродвигателя, трансформатора от однофазных замыканий на землю (корпус) в обмотках, работающих в сети с изолированной нейтралью. Цель изобретения - расширение функциональных возможностей и повышение чувствительности средств защиты сети с изолированной нейтралью от однофазных замыканий на землю. Предмет изобретения состоит в том, что в известном способе, согласно которому измеряют ток утечки на землю через общее сопротивление сети относительно земли, этот ток усредняют, по среднему значению измеренного тока и напряжению источника питания определяют сопротивление изоляции, сравнивают его с предельно допустимым значением и, по достижении им предельно допустимого значения формируют сигнал на отключение защищаемой сети, дополнительно выбирают фазу с наибольшим по абсолютному значению напряжением относительно земли и в ней измеряют ток утечки. На текущем интервале времени, соответствующем периоду промышленной частоты, указанные токи утечки сравнивают между собой и по их соотношениям определяют место повреждения изоляции. Кроме того, измеряют фазные напряжения и по их отношению к соответствующему току утечки определяют общее сопротивление защищаемой сети относительно земли, что позволяет выявлять дефекты в изоляции на ранней стадии развития. 1 з.п. ф-лы, 5 ил.

Изобретение относится к электротехнике и предназначено для защиты трехфазной сети с изолированной нейтралью от однофазных замыканий на землю, а также - для защиты генератора, электродвигателя, трансформатора от однофазных замыканий на землю (на корпус) в обмотках, работающих в сети с изолированной нейтралью.

Широко известен способ защиты трехфазной сети с изолированной нейтралью от однофазных замыканий на землю, заключающийся в измерении емкостного тока нулевой последовательности и сравнении его с предельно допустимым значением. Если ток нулевой последовательности превышает допустимое значение, то формируется сигнал на отключение защищаемого объекта [1]. Этот способ не позволяет получить высокую чувствительность и не обладает полной селективностью.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является способ защиты, выбранный в качестве прототипа, основанный на наложении постоянного тока от специального источника питания на контролируемую цепь [2] . При этом измеряют ток утечки на землю через общее сопротивление цепи относительно земли, протекающий под действием вышеуказанного специального источника питания. По уровню этого тока оценивают состояние изоляции защищаемой цепи.

Недостатки известного способа обусловлены необходимостью применения специального источника питания. Поскольку максимальный уровень напряжения этого источника ограничен, то точность и чувствительность способа не достаточно высоки. Известный способ не дает возможности определить место повреждения изоляции. Кроме того, наличие специального источника питания и других дополнительных элементов снижает общую надежность известного способа.

Цель предлагаемого изобретения - расширение функциональных возможностей и повышение чувствительности средств защиты сети с изолированной нейтралью от однофазных замыканий на землю.

Поставленная цель достигается тем, что в известном способе защиты трехфазной сети с изолированной нейтралью от однофазных замыканий на землю, согласно которому измеряют ток утечки на землю через общее сопротивление цепи относительно земли, этот ток усредняют, по среднему значению измеренного тока утечки и напряжению источника питания определяют величину, характеризующую общее сопротивление цепи относительно земли (сопротивление или проводимость), эту величину сравнивают с предельно допустимым значением и, при достижении ею предельно допустимого значения, формируют сигнал на отключение защищаемой цепи. Отличительные особенности предлагаемого способа состоят в том, что выбирают фазу с наибольшим по абсолютному значению напряжением относительно земли и в ней измеряют ток утечки относительно земли. На текущем интервале времени, соответствующем периоду повышенной частоты, вышеуказанные токи утечки в отдельных фазах сравнивают между собой и по их соотношениям определяют место повреждения изоляции. Измеряют фазные напряжения и по их отношению к соответствующему току утечки определяют общее сопротивление цепи относительно земли.

Сопоставительный анализ предлагаемого решения и прототипа показывает, что заявляемый способ отличается от известного тем, что измеряется ток утечки, который протекает под действием источников ЭДС сети, а не низковольтного постороннего источника питания, как в прототипе. Таким образом, измерение сопротивления изоляции фаз относительно земли производится на напряжении сети, которое значительно выше напряжения специального постороннего источника питания, что обеспечивает более высокую точность результатов измерения, чем в известном способе. Измерение тока утечки отдельно в каждой фазе и сравнение результатов измерений позволяет выявить поврежденную фазу защищаемой сети, а применительно к электрическим машинам и трансформаторам - оценить удаленность места повреждения в обмотке от выводов этой поврежденной обмотки.

При анализе других технических решений в ней не выявлены признаки, отличающие заявляемое техническое решение от прототипа. Учитывая изложенное выше можно сделать вывод о соответствии заявляемого способа критериям "новизна" и "существенные отличия".

На фиг. 1 показана общая структурная схема устройства защиты сети с изолированной нейтралью от замыканий на землю, в котором реализован заявляемый способ; на фиг. 2 - функциональная схема устройства защиты, реализующего предложенный способ; на фиг. 3 показано изменение тока утечки i_ут и фазных ЭДС сети U_a, U_B, U_c при повреждении изоляции в нейтрали источника питания сети; на фиг. 4 - изменение тех же величин при повреждении изоляции фазы C; на фиг. 5 - функциональная схема упрощенного устройства защиты сети, реализующего предложенный способ.

Реализация предлагаемого способа, при использовании всей совокупности существенных признаков объекта изобретения, поясняется с помощью устройства, структурная схема которого представлена на фиг. 1.

Схема содержит защищаемую трехфазную сеть 1 с изолированной нейтралью; максиселектор 2, три входа которого подключены к трем фазам защищаемой сети; датчик 3 фазных ЭДС сети, три входа которого соединены с тремя фазными проводниками сети; блок 4 измерения тока утечки, вход которого соединен с выходом максиселектора; блок 5 определения сопротивления изоляции защищаемой сети относительно земли, первый вход которого подключен к первому выходу блока 4, а второй вход - к выходу датчика 3; блок 6 сравнения сопротивления изоляции с допустимым значением, входом подключенный к выходу блока 5; блок 7 определения места повреждения, первый вход которого соединен со вторым входом блока 4, а второй вход - с первым выходом блока 6; исполнительный орган 8, вход которого соединен со вторым выходом блока 6.

Устройство работает следующим образом. На входы максиселектора 2 подается трехфазное напряжение сети относительно земли. Максиселектор выбирает и подключает фазу с наибольшим напряжением относительно земли ко входу блока 4 измерения тока утечки. Ток утечки измеряется и информация о нем передается в блок 5 определения сопротивления изоляции, а также - в блок 7 определения места повреждения. В блоке 7 токи утечки разных фаз сравниваются между собой на текущем интервале времени, соответствующем периоду ЭДС сети. От датчика 3 в блок 5 передается информация о фазных ЭДС защищаемой сети. В этом блоке вычисляется отношение фазного напряжения к соответствующему току утечки, определяется общее сопротивление защищаемой сети относительно земли и вычисляется сопротивление изоляции. Это сопротивление изоляции сравнивается в блоке 6 с допустимым значением и если оно становится меньше допустимого, то исполнительным органом 8 формируется сигнал на отключение защищаемой сети и передается управляющий сигнал в блок 7, по которому выявляется и фиксируется место повреждения.

На фиг. 2 представлена функциональная схема устройства, где показаны примеры реализации основных функциональных узлов. Максиселектор 2 выполнен в виде трех дисков, анодами подключенных к фазным проводникам сети 1, а их катоды соединены между собой. Блок 4 измерения тока утечки содержит два последовательно соединенных резистора R_огр и R_ш. Один вывод резистора R_огр подключен к катодам диодов 9, 10, 11, общая точка этих резисторов соединена со входами блоков 5 и 7. Второй вывод резистора R_ш соединен с землей. В качестве датчика фазных ЭДС сети использован трансформатор напряжения, обмотки которого соединены по схеме "звезда-звезда с нулевым выводом".

При повреждении изоляции в нейтрали источника питания сети симметрии относительно земли не нарушается. Диоды максиселектора поочередно открываются и по ним протекают равные по величине токи утечки отдельных фаз. Сигнал, пропорциональный этим токам утечки, обрабатывается блоками 5 и 7. Формируется сигнал на отключение сети и сигнал, указывающий место повреждения - нейтраль.

На фиг. 3 показаны форма тока утечки, протекающего по резистору R_ш, (i_ут) и фазные напряжения сети, соответственно: U_a, U_в, U_c.

При повреждении изоляции фазы, например, при замыкании на землю фазы C, симметрия напряжения сети относительно земли нарушается. Диод 11 максиселектора шунтируется переходным сопротивлением в месте повреждения, а к анодам диодов 9 и 10 прикладываются линейные напряжения U_AC и U_BC, соответственно. Под действием этих линейных напряжений диоды 9 и 10 поочередно открываются и по резисторам блока 4 протекает ток утечки, форма которого показана на фиг. 4. Блоком 7 выявляется поврежденная фаза C и формируются соответствующие сигналы.

Схема устройства, реализующего заявляемый способ в наиболее простом и наглядном виде, показана на фиг. 5. Здесь к выходу блока 4 подключен вход блока 12 сравнения тока утечки на землю с допустимым значением, выход которого соединен со входом исполнительного органа 8. Этим устройством контролируется непосредственно ток утечки. При повреждении изоляции ток утечки возрастает и, в случае превышения им допустимого значения, исполнительный орган формирует сигнал на отключение защищаемой сети.

Применение предлагаемого способа защиты сети с изолированной нейтралью от однофазных замыканий на землю обеспечивает выявление дефектов изоляции на ранней стадии их развития и не допускает обширных разрушений изоляции и других элементов электрооборудования в аварийных ситуациях. Это позволяет значительно снизить ущерб от отключения защищаемой сети и снизить ремонтно-эксплуатационные затраты, так как для устранения незначительных дефектов, выявляемых предлагаемым способом, не требуется экстренное отключение защищаемой сети и выполнение больших объемов ремонтных работ.

Источники информации 1. Федосеев А. М. Релейная защита электрических систем. - М.: Энергия, 1976, с. 353 - 367.

2. Авторское свидетельство СССР N 970545, кл. H 02 H 7/06, 1982, БИ N 40.

Формула изобретения

1. Способ защиты трехфазной сети с изолированной нейтралью от однофазных замыканий на землю, в соответствии с которым соединяют фазу с наибольшим значение напряжения относительно земли с землей через сопротивление и измеряют ток утечки на землю, отличающийся тем, что на текущем интервале времени, соответствующем периоду напряжения сети, изменяют фазные напряжения и определяют сопротивление изоляции сети относительно земли по отношению каждого из упомянутых фазных напряжений и соответствующих им токам утечки, если сопротивление изоляции меньше допустимого, формируют сигнал на отключение трехфазной сети.

2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что сравнивают между собой токи утечки разных фаз на текучем интервале времени, соответствующем периоду напряжения сети, по результатам сравнения токов утечки определяют место повреждения изоляции, если сопротивление изоляции сети относительно земли меньше допустимого.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2, Рисунок 3, Рисунок 4, Рисунок 5