Устройство защиты от однофазных замыканий на землю в сетях с изолированной нейтралью и с компенсацией емкостных токов

Использование: в области электротехники. Технический результат - повышение селективности и чувствительности защиты от замыканий на землю и расширение области ее возможного применения. Устройство защиты от однофазных замыканий на землю в сетях с изолированной нейтралью и с компенсацией емкостных токов содержит на каждой линии датчик тока нулевой последовательности, выход которого подключен к входам первого и второго полосовых частотных фильтров, выходами присоединенных соответственно к первому и второму входам первого блока переключения, измерительный трансформатор напряжения нулевой последовательности, выход которого подключен к входам третьего и четвертого полосовых частотных фильтров, выходами присоединенных соответственно к первому и второму входам второго блока переключения, выходом связанного с входом дифференциатора, и элемент временной задержки на срабатывание, дополнительно содержит блок линейного преобразования, первый и второй корреляторы, блок деления, блок вычисления абсолютного значения, первый и второй элементы сравнения, третий и четвертый блоки переключения, логический элемент ИЛИ, пусковой орган по напряжению нулевой последовательности и логический элемент И, при этом первый вход первого коррелятора подключен к выходу первого блока переключения, второй вход первого коррелятора и первый и второй входы второго коррелятора подключены через блок линейного преобразования к выходу дифференциатора, выход первого коррелятора присоединен к первому входу блока деления, выход второго коррелятора присоединен к второму входу блока деления, выходом связанного с входом первого элемента сравнения и через блок вычисления абсолютного значения - с входом второго элемента сравнения, выходы которых соответственно через третий и четвертый блоки переключения подключены к входам логического элемента ИЛИ, выходом присоединенного к первому входу логического элемента И, второй вход которого подключен к выходу пускового органа по напряжению нулевой последовательности, входом связанного с выходом измерительного трансформатора напряжения нулевой последовательности, при этом выход логического элемента И подключен к входу элемента временной задержки на срабатывание. 6 ил.

 

Изобретение относится к области электротехники и электроэнергетики и может быть использовано для защиты от однофазных замыканий на землю (далее ОЗЗ) кабельных, воздушных и кабельно-воздушных линий электрических сетей среднего напряжения, работающих с изолированной нейтралью или с заземлением нейтрали через дугогасящий реактор (компенсацией емкостных токов ОЗЗ).

В электрических сетях, работающих с изолированной нейтралью, для выполнения защиты от ОЗЗ наиболее широкое применение получили простые и надежные устройства максимальной токовой защиты нулевой последовательности (ТЗНП). Принцип действия ТЗНП основан на измерении величины тока нулевой последовательности 3i₀ или его составляющей основной частоты 50 Гц, сравнении измеренного значения с постоянной величиной - уставкой по току срабатывания и формировании выходного сигнала при превышении измеренного значения тока уставки (Федосеев A.M. Релейная защита электрических систем. - М.: Энергия, 1976; Чернобровое Н.В. Релейная защита / Изд. 5-е, перераб. и доп. - М.: Энергия, 1974; Чернобровое Н.В., Семенов В.А. Релейная защита энергетических систем. - М.: Энергоатомиздат, 1998). Недостатком ТЗНП является значительное влияние на ее функционирование переходных токов нулевой последовательности при дуговых перемежающихся ОЗЗ (далее ДПОЗЗ), ограничивающее селективность и чувствительность и, следовательно, область возможного применения устройств защиты данного типа (Шуин В.А., Гусенков А.В. Защиты от замыканий на землю в электрических сетях 6-10 кВ. - М.: НТФ «Энергопрогресс», «Энергетик». - 2001). Условие применимости ТЗНП (селективности несрабатываний при внешних и чувствительности при внутренних ОЗЗ) в сетях с изолированной нейтралью имеет вид (Шуин В.А., Гусенков А.В. Защиты от замыканий на землю в электрических сетях 6-10 кВ. - М.: НТФ «Энергопрогресс», «Энергетик». - 2001):

где I_{C собс*}=I_{C собс}/I_C∑ - относительное значение собственного емкостного тока защищаемого присоединения; I_{C собс}=3ωC_{0 собс}U_ф.ном - собственный емкостный ток защищаемого присоединения; С_{0 собс} - собственная емкость фазы на землю защищаемого присоединения; U_ф.ном - номинальное фазное напряжение сети; I_{C ∑}=3ωC_0∑U_ф.ном - суммарный емкостный ток сети; ω=2π⋅50 - угловая частота рабочего напряжения сети; С_0∑ - суммарная емкость фазы сети на землю; К_отс - 1,3 - коэффициент отстройки, учитывающий погрешности измерительного органа тока, расчета I_{C собс} и др.; К_пер - коэффициент, учитывающий увеличение тока в защите в переходных режимах при ДПОЗЗ по сравнению с устойчивыми ОЗЗ (далее УОЗЗ); К_{ч. мин}=1,25-1,5 - минимально допустимое по требованиям ПУЭ (Правила устройства электроустановок (ПУЭ). Издание шестое, утв. прик. Минэнерго России от 08.07.2002 №204. - М.: НЦ ЭНАС, 2007) значение коэффициента чувствительности для токовых защит с действием на сигнал или на отключение.

Для современных исполнений ТЗНП на микроэлектронной и микропроцессорной базе рекомендуется принимать значение К_пер=2-2,5 (Шуин В.А., Гусенков А.В. Защиты от замыканий на землю в электрических сетях 6-10 кВ. - М.: НТФ «Энергопрогресс», «Энергетик». - 2001). Из (1) при К_отс=1,3, К_пер=2,5 и К_ч.мин=1,25 I_{C собс*}≤1/(1+1,3⋅2,5⋅1,25)≈0,2. Доля присоединений, относительное значение собственного емкостного тока которых I_{C собс*}>0,2, на центрах питания (далее ЦП) электрических сетей среднего напряжения от общего числа присоединений, подключенных к шинам защищаемого объекта, может составлять до 30% и более (Шуин В.А., Добрягина О.А., Шагурина Е.С. Влияние переходных процессов при замыканиях на землю в электроустановках среднего напряжения на функционирование защит от замыканий на землю на основе высших гармоник // Релейная защита и автоматизация. - 2012, №2. - С. 26-30). ТЗНП становится также нечувствительной при ОЗЗ через переходное сопротивление R_П порядка сотен Ом (Шалин А.И. Замыкания на землю в сетях 6-35 кВ. Достоинства и недостатки различных защит // Новости ЭлектроТехники, 2005. - №3 (33)). Существенным недостатком ТЗНП является также то, что устройства защиты данного типа во многих случаях не могут обеспечить требуемую чувствительность при наиболее опасных для сети и поврежденного элемента ДПОЗЗ (Шуин В.А. Оценка чувствительности токовых защит от замыканий на землю в кабельных сетях 6-10 кВ / М.С. Аль-Хомиди, О.А. Добрягина, Е.С. Шагурина, Т.Ю. Шадрикова, В.А. Шуин // Вестник ИГЭУ: Журнал. - Иваново: ООО "ПресСто". - 2016. - Вып. 3. - С. 50-55).

В компенсированных сетях, прежде всего, в кабельных сетях напряжением 6-10 кВ, основное применение получили максимальные токовые защиты, основанные на использовании высших гармоник (далее ВГ) тока нулевой последовательности 3i₀ (далее ТЗНПВГ). Известны устройства ТЗНПВГ, называемые также токовыми защитами абсолютного замера ВГ в токе 3i₀ (Кискачи В.М., Назаров Ю.Г. Сигнализация однофазных замыканий на землю в компенсированных кабельных сетях 6-10 кВ / Труды ВНИИЭ. Вып. 16. - М: Госэнергоиздат. - 1963. - С. 219-251; Кискачи В.М., Сурцева С.Е., Горшенина Н.М. и др. Устройства сигнализации замыканий на землю в кабельных сетях 6-10 кВ // Электрические станции. - 1972. - №4. - С. 69-72). Основными недостатками ТЗНПВГ являются существенное влияние на условия ее селективности и чувствительности нестабильности уровня ВГ в токе ОЗЗ компенсированных сетей, ограничивающее возможности ее применения. Условие применимости ТЗНПВГ на присоединениях защищаемого объекта, как и для ТЗНП, определяется относительным значением собственного емкостного тока I_{C собс*} защищаемого присоединения (Шуин В.А. Максимальные токовые защиты от замыканий на землю на основе высших гармоник для компенсированных кабельных сетей 6-10 кВ / В.А. Шуин, В.А. Мартынов, Е.С. Шагурина, Т.Ю. Шадрикова // Электротехника, 2018, №1. - С. 62-72)

где Z=4-6 - параметр, характеризующий степень нестабильности (колебаний) общего уровня ВГ в токе 033 в защищаемой сети в различных режимах ее работы; К_отс=1,5 - коэффициент отстройки, учитывающий погрешности измерений ВГ в токе нулевой последовательности защищаемого присоединения; К_{ч. мин}=1,5 - минимально допустимый коэффициент чувствительности для токовых защит на основе ВГ (Правила устройства электроустановок (ПУЭ). Издание шестое, утв. прик. Минэнерго России от 08.07.2002 №204. - М.: НЦ ЭНАС, 2007).

При Z=6, К_отс=1,5, К_ч.мин=1,5 из (2) получим I_{C собс*}≤1/(1+6⋅1,5⋅1,5)≈0,07, что практически исключает возможность применения ТЗНПВГ на ЦП компенсированных сетей. Возможности широкого применения ТЗНПВГ ограничены также сложностью достоверного определения максимального и минимального уровней гармоник в токе ОЗЗ, необходимых для выбора уставки по току срабатывания и оценки чувствительности защиты. Недостатком известных исполнений ТЗНПВГ является также то, что при дуговых прерывистых ОЗЗ действие таких защит блокируется. В то же время известно, что при больших расстройках компенсации, возможных в реальных условиях эксплуатации, ДПОЗЗ, сопровождаемые опасными для сети перенапряжениями, возможны и в компенсированных сетях (Халилов Ф.Х., Евдокунин Г.А., Поляков B.C. и др. Защита сетей 6-35 кВ от перенапряжений / под ред. Ф.Х. Халилова, Г.А. Евдокунина, А.И. Таджибаева. - СПб.: Энергоатомиздат, 2002). На чувствительность ТЗНПВГ существенное влияние оказывает также переходное сопротивление в месте ОЗЗ.

Большую селективность и чувствительность, чем у ТЗНП и ТЗНПВГ, позволяют получить устройства защиты от ОЗЗ с двумя подведенными величинами - током и напряжением нулевой последовательности 3i₀ и 3u₀: направленные защиты, защиты, основанные на контроле проводимости нулевой последовательности (называемые также адмитансными защитами), адаптивные токовые защиты.

Известны устройства токовой направленной защиты нулевой последовательности (далее ТНЗНП) для сетей с изолированной нейтралью, основанные на контроле фазных соотношений между 3u₀ и 3i₀ или их составляющими основной частоты 50 Гц (Федосеев A.M. Релейная защита электрических систем. - М.: Энергия, 1976; Чернобровов Н.В. Релейная защита / Изд. 5-е, перераб. и доп. - М.: Энергия, 1974; Чернобровое Н.В., Семенов В.А. Релейная защита энергетических систем. - М.: Энергоатомиздат, 1998). Принцип действия устройств ТНЗНП основан на измерении вектора тока защищаемого присоединения и вектора напряжения нулевой последовательности или их составляющих основной частоты и установившегося режима ОЗЗ, определении фазы тока по отношению к напряжению и формировании выходного воздействия в зависимости от направления мощности нулевой последовательности, определяемого значением угла ϕ. Большие селективность и чувствительность ТНЗНП обусловлено тем, что условия ее применимости, в отличие от ТЗНП, не ограничены относительными значениями собственного емкостного тока защищаемого присоединения I_{C собс*}. Однако указанное преимущество ТНЗНП обеспечивается в основном при УОЗЗ. При ДПОЗЗ возможны нарушения фазовых соотношений между 3u₀ и 3i₀, обуславливающие излишние срабатывания ТНЗНП при внешних и отказы срабатывания при внутренних замыканиях (Шалин А.И. Замыкания на землю в сетях 6-35 кВ. Направленные защиты. Характеристики, особенности применения // Новости ЭлектроТехники. - 2005. - №6 (36); Шалин А.И. Замыкания на землю в сетях 6-35 кВ. Направленные защиты. Влияние электрической дуги на направленные защиты // Новости ЭлектроТехники. - 2006. - №1 (37)).

Известны устройства для выполнения ненаправленной и направленной защиты от ОЗЗ в электрических сетях среднего напряжения, основанные на контроле проводимости нулевой последовательности защищаемого присоединения (далее адмитансные защиты), реализованные в микропроцессорных терминалах релейной защиты и автоматики (далее РЗА) линий электропередачи среднего напряжения ряда фирм-производителей: Schneider Electric, ALSTOM (Areva), ABB (http://www.schneider-electric.ru/ru/product-range/935-sepam-serii-80/?filter=business-6-raspredelenie-elektroenergii-srednego-naprazenia-i-avtomatizacia-elektro-snabzenia&parent-category-id=4600; http://www.mupasz.ru/fileadmin/user_upload/documents/Instrukcje/mu_2000_sts_rts_ru.pdf; Ольшовец П. Адмитансные защиты - эффективное средство охраны сетей СН от замыканий на землю // Релейная защита и автоматизация, 2017, №3 (28). - С. 56-59). Действие адмитансных устройств защиты от ОЗЗ основано на контроле проводимости нулевой последовательности защищаемого присоединения, определяемой отношением тока защищаемого присоединения и напряжения

где - полная проводимость нулевой последовательности; G₀ и В₀ - соответственно активная и реактивная составляющие полной проводимости нулевой последовательности.

При внешних (вне защищаемой зоны) УОЗЗ проводимость для неповрежденного присоединения определяется собственной проводимостью фаз на землю защищаемого присоединения и в электрической сети с изолированной нейтралью равна

где 3G_{0 собс} - активная составляющая собственной проводимости 3ωC_{0 собс} - реактивная составляющая

При внутренних (в защищаемой зоне) УОЗЗ проводимость на зажимах защиты в электрической сети с изолированной нейтралью для поврежденного присоединения определяется взятой с обратным знаком суммой проводимостей нулевой последовательности всех неповрежденных присоединений (суммарной проводимостью внешней сети) и равна

где 3G_0∑ - суммарная активная проводимость фаз сети на землю.

Для воздушных и кабельных линий электрических сетей среднего напряжения, работающих с изолированной нейтралью, активная составляющая проводимости нулевой последовательности, как правило, составляет нескольких процентов от реактивной (емкостной) проводимости (Лихачев Ф.А. Замыкания на землю в сетях с изолированной нейтралью и с компенсацией емкостных токов. - М.: Энергия, 1971; Халилов Ф.Х. Защита сетей 6-35 кВ от перенапряжений / Ф.Х. Халилов, Г.А. Евдокунин, B.C. Поляков и др. - СПб.: Энергоатомиздат, 2002). При 3ωC_{0 собс}>>3G_{0 собс} и 3ωC_0∑>>3G_0∑ соотношения (4) и (5) можно представить в следующем виде:

Для обеспечения селективности несрабатываний при внешних УОЗЗ уставка срабатывания максимальной адмитансной защиты должна выбираться из условия:

где К_отс - коэффициент отстройки, учитывающий погрешности измерений воздействующей величины, расчета значений 3C_{0 собс} и др.

Условие выбора уставки срабатывания максимальной адмитансной защиты по (8) справедливо только для УОЗЗ. В переходных режимах при ДПОЗЗ, являющихся основной разновидностью замыканий на землю в электрических сетях среднего напряжения, в токах 3i₀ поврежденного и неповрежденных присоединений преобладают свободные составляющие с частотами ƒ_св от сотен герц до нескольких десятков килогерц, что приводит к увеличению замера полной проводимости и ее реактивной (емкостной) составляющей на зажимах защиты 3Y_{0 собс}≈3ω_свС_{0 собс*}= =3⋅2π⋅ƒ_свС_{0 собс}. Поэтому для обеспечения селективности несрабатываний в переходных режимах при внешних ДПОЗЗ уставка срабатывания максимальной адмитансной защиты в сетях с изолированной нейтралью должна быть увеличена по сравнению со значением, определяемым по (8), и выбираться из условия

где К_пер>1 - коэффициент, учитывающий увеличение проводимости на зажимах защиты в переходных режимах при ДПОЗЗ.

При выборе уставки срабатывания Y_{0 уст} по (9) условие селективности максимальной адмитансной защиты при внешних и чувствительности при внутренних ОЗЗ, т.е. условие применимости защиты, в сетях с изолированной нейтралью, как и для рассмотренной выше ТЗНП, будет определяться соотношением (1), что значительно ограничивает чувствительность и область возможного применения устройств защиты данного типа.

Из (4) и (5) следует, что знаки активной G₀ и реактивной В₀ составляющих вектора проводимости для неповрежденного и поврежденного присоединений всегда противоположны, что используется для выполнения направленной адмитансной защиты от ОЗЗ. Преимуществом направленных адмитансных защит по сравнению с ТНЗНП является более высокая чувствительность к ОЗЗ через переходное сопротивление, недостатком, как и для ТНЗНП, возможность излишних срабатываний при внешних и отказов срабатывания при внутренних ОЗЗ из-за нарушений фазовых соотношений между 3u₀ и 3i₀, в переходных режимах при замыканиях через перемежающуюся дугу. При частотах переходных токов ƒ_св, превышающих несколько килогерц, на величину и знак проводимости нулевой последовательности существенное влияние начинают оказывать продольные индуктивные сопротивления кабельных и воздушных линий. За счет указанных высокочастотных составляющих в переходных режимах ОЗЗ возможны искажения знака реактивной составляющей проводимости нулевой последовательности, что, при отсутствии ограничения рабочего диапазона частот «сверху», также может привести к неселективным действиям направленной адмитансной защиты.

В устройстве для определения замыкания фазы на землю (Патент РФ 2491563 МПК G01R 31/08. Способ и устройство для определения замыкания на землю. Опубл. 27.08.2013, Бюл. 24) для выполнения ненаправленной и направленной адмитансной защиты от ОЗЗ в сетях с изолированной нейтралью в отличие от других известных исполнений адмитансной защиты в качестве воздействующей величины предлагается использовать не отношение измеренных значений тока и напряжения нулевой последовательности а отношение разности значений тока во время замыкания и в режиме, предшествующем ОЗЗ, к соответствующей разности напряжений т.е.

Определение проводимости по (10) позволяет повысить отстроенность защиты от влияния смещения нейтрали сети в режиме, предшествующем ОЗЗ, небалансов первичных преобразователей тока и напряжения нулевой последовательности и повысить чувствительность защиты. Основными недостатками данного исполнения адмитансной защиты, как и для рассмотренных выше устройств защиты аналогичного типа, является существенное влияние на замер реактивной составляющей проводимости высокочастотных переходных токов при дуговых ОЗЗ, что ограничивает чувствительность и область возможного применения ненаправленной максимальной адмитансной защиты и может привести к отказам функционирования направленной адмитансной защиты.

В компенсированной сети при внешних УОЗЗ проводимость на зажимах защиты так же, как и в сети с изолированной нейтралью, определяется по выражению (4). При внутренних УОЗЗ проводимость на зажимах защиты в компенсированной сети с заземлением нейтрали через индуктивность L_N дугогасящего реактора (далее ДГР) определяется взятой с обратным знаком проводимостью внешней сети и индуктивностью ДГР

Из (11) можно видеть, что при возможных в реальных условиях эксплуатации расстройках компенсации (3ωC_0∑≠1/ωL_N) может изменяться знак реактивной составляющей, а также в значительных пределах значение полной проводимости нулевой последовательности. Потому выполнение селективной (ненаправленной или направленной) адмитансной защиты от ОЗЗ в компенсированных сетях в общем случае возможно только на основе контроля активной составляющей проводимости G₀. Поскольку обеспечить селективность и высокую устойчивость функционирования при малых уровнях и нестабильности величины активной проводимости G₀, зависящей от текущего состояния изоляции защищаемого присоединения и сети, практически трудно, защиты от ОЗЗ, основанные на контроле активной проводимости нулевой последовательности, в компенсированных сетях не получили применения.

В целях повышения устойчивости функционирования в переходных режимах при дуговых ОЗЗ в ABB (Финляндия) разработана мультичастотная адмитансная защита (Олыновец П. Адмитансные защиты - эффективное средство охраны сетей СН от замыканий на землю // Релейная защита и автоматизация, 2017, №3 (28). - С. 56-59; Wahlroos A., Altonen J. „Multifrequency admittance protection", Elektrotechniczne, 12/2016). В данной защите комплексная проводимость (адмитанс) нулевой последовательности для защищаемого присоединения в сети с изолированной нейтралью определяется как сумма фазовых векторов (фазоров) проводимости нулевой последовательности для всех гармоник, включая 1-ю:

где - фазор комплексной проводимости нулевой последовательности для 1-й гармоники тока 3i₀ и напряжения 3u₀; - фазор комплексной проводимости нулевой последовательности для k-й гармоники тока 3i₀ и напряжения 3u₀.

Использование для замера реактивной составляющей проводимости нулевой последовательности, кроме 1-й (основной) гармоники, высших гармонических составляющих имеет основной целью повышение устойчивости функционирования адмитансной защиты в переходных режимах при дуговых ОЗЗ. Из (12) можно видеть, что защита на рассмотренном принципе из-за влияния на модуль проводимости высших гармонических составляющих из-за нестабильности спектра высших гармонических составляющих спектра тока ОЗЗ не позволяет обеспечить устойчивость замера не только в переходных, но и в установившемся режиме ОЗЗ. Потому ненаправленная максимальная адмитансная защита на данном принципе не может обеспечить высокую селективность и чувствительность. Более эффективным является использование рассмотренного принципа для выполнения направленной адмитансной защиты на основе высших гармонических составляющих в компенсированных сетях (Ari Wahlroos, Janne Altonen. Применение нового метода на основе проводимости по гармоническому спектру при замыканиях на землю в сетях среднего напряжения с компенсированной нейтралью / ABB Оу Medium Voltage Products, Finland/ http://docplayer.ru/52161167-Ari-wahlroos-janne-altonen-abb-oy-medium-voltage-products-finland.html; http://www.abb.ua/cawp/seitp202/465a53713cbc06c7cl2580b30054ab57.aspx). Недостатком направленной адмитансной защиты является использование для замера проводимости на основе (12) дискретного спектра гармонических составляющих. Дискретный спектр высших гармоник имеет место только при устойчивых замыканиях, при этом в токе ОЗЗ преобладает ограниченное число высших гармоник, как правило, 5, 7, 11 и 13 порядков (Кискачи В.М., Назаров Ю.Г. Сигнализация однофазных замыканий на землю в компенсированных кабельных сетях 6-10 кВ / Труды ВНИИЭ. Вып. 16. - М.: Госэнергоиздат. - 1963. - С. 219-251; Шуин В.А. Максимальные токовые защиты от замыканий на землю на основе высших гармоник для компенсированных кабельных сетей 6-10 кВ / В.А. Шуин, В.А. Мартынов, Е.С. Шагурина, Т.Ю. Шадрикова // Электротехника, 2018, №1. - С. 62-72). В переходных режимах при замыканиях через перемежающуюся дугу спектр высших гармонических составляющих тока ОЗЗ имеет сплошной характер, а частота и амплитуда преобладающих в нем высших гармонических составляющих зависит от множества факторов (параметров сети и поврежденной линии, удаленности места ОЗЗ от шин, переходного сопротивления в месте повреждения и др.), что при использовании для действия защиты дискретного спектра создает трудности с обеспечением высокой устойчивости ее функционирования.

Известны устройства адаптивной ТЗНП, в которых уставка по току срабатывания изменяется в зависимости от значения второй подведенной величины - напряжения 3u₀, что позволяет повысить селективность и чувствительность устройства защиты от ОЗЗ.

Известно устройство токовой защиты электрических сетей от однофазных замыканий на землю (варианты) (Патент 2422964 РФ. МПК Н02Н 3/16, G01R 31/08. Устройство токовой защиты электрических сетей от однофазных замыканий на землю (варианты). Опубл. 27.06.2011, Бюл. №18), содержащее на каждой линии датчик тока нулевой последовательности и релейный орган блока защиты с задаваемой уставкой на срабатывание, кроме того, снабжено функциональным модулем вычисления показателя неполноты замыкания на землю, первый и второй входы которого подключены к измерительному трансформатору напряжения, в блок защиты каждой линии дополнительно введен модуль автоматической адаптивной коррекции тока уставки на срабатывание защиты, на первый вход которого поступает сигнал о токе уставки, второй его вход соединен с выходом функционального модуля вычисления показателя неполноты замыкания на землю, а выход модуля автоматической адаптивной коррекции тока уставки на срабатывание защиты соединен со вторым входом релейного органа блока защиты, первый вход которого связан с датчиком тока нулевой последовательности. Второй вариант заявленного устройства отличается тем, что в блок защиты каждой линии дополнительно введен модуль автоматической адаптивной коррекции величины сигнала о контролируемом токе нулевой последовательности линии, первый вход которого связан с датчиком тока нулевой последовательности, второй его вход соединен с выходом функционального модуля вычисления показателя неполноты замыкания на землю, выход модуля автоматической адаптивной коррекции тока уставки на срабатывание защиты соединен с первым входом релейного органа блока защиты, а на второй его вход поступает сигнал о заданном токе уставки.

Варианты защиты по пп. 1, 2 формулы рассматриваемого изобретения практически равноценны с точки зрения эффективности функционирования при УОЗЗ в сетях с изолированной нейтралью - обеспечивают повышение чувствительности при УОЗЗ через переходное сопротивление за счет уменьшения уставки I_уст пропорционально коэффициенту неполноты замыкания n=U₀/U_ф (вариант 1) или увеличения тока, подводимому к релейному органу защиты в 1/n раз при I_ycm=const (вариант 2). Коэффициент неполноты замыкания линейно связан с током I₀, подводимым к защите, как было отмечено выше, только при УОЗЗ. Поэтому изменение уставки по току срабатывания в зависимости от значения коэффициента неполноты замыкания на землю не позволяет обеспечить устойчивые несрабатывания защиты при внешних ДПОЗЗ.

Наиболее близким аналогом к предполагаемому изобретению (прототипом) является устройство адаптивной защиты от однофазных замыканий на землю в сетях с изолированной нейтралью и с компенсацией емкостных токов (Патент РФ 2629375, МПК Н02Н 3/16. Устройство адаптивной защиты от однофазных замыканий на землю в сетях с изолированной нейтралью и с компенсацией емкостных токов. Опубл. 29.08.2017, Бюл. №25), содержащее на каждой линии датчик тока нулевой последовательности, измерительный трансформатор напряжения нулевой последовательности, релейный измерительный орган тока с задаваемой уставкой на срабатывание, модуль автоматической адаптивной коррекции тока уставки на срабатывание, выход которого подключен к второму входу релейного измерительного органа тока с задаваемой уставкой на срабатывание, первый, второй, третий и четвертый полосовые частотные фильтры, первый и второй блоки переключения, дифференциатор, первый и второй блоки вычисления среднеквадратичного значения, элемент временной задержки, при этом выход датчика тока нулевой последовательности подключен к входу первого и второго полосовых частотных фильтров, выходы которых подключены к входам первого блока переключения, выходом подключенного через первый блок вычисления среднеквадратичного значения к первому входу релейного измерительного органа тока с задаваемой уставкой на срабатывание, выход измерительного трансформатора напряжения нулевой последовательности подключен к входам третьего и четвертого полосовых частотных фильтров, выходы которых подключены к входам второго блока переключения, выходом подключенного через дифференциатор и второй блок вычисления среднеквадратичного значения к входу модуля (блока) автоматической адаптивной коррекции тока уставки на срабатывание, связанного выходом с вторым входом релейного измерительного органа тока с задаваемой уставкой на срабатывание, выход которого подключен к входу элемента временной задержки на срабатывание.

Основное преимущество данного исполнения адаптивной ТЗНП по сравнению с рассмотренными выше аналогами является комплексное решение проблемы селективной защиты от ОЗЗ как для компенсированных, так и для некомпенсированных электрических сетей, обеспечивающее повышение селективности и чувствительности как при УОЗЗ, так и при ДПОЗЗ. В рассматриваемой адаптивной ТЗНП переменные условия функционирования, к основным из которых в сетях с изолированной нейтралью относятся переходные токи при ДПОЗЗ и переходное сопротивление в месте повреждения, а в компенсированных сетях - переходные токи, переходное сопротивление и нестабильность уровня ВГ в токе ОЗЗ, не влияют на ее селективность и чувствительность. Поэтому условие применимости адаптивной ТЗНП в сетях с изолированной нейтралью определяется соотношением (1), в котором К_пер=1, а в компенсированных сетях - соотношением (2), в котором Z=1, т.е. условием

Из (13) при К_отс=1,5 и К_ч.мин=1,5 получим I_Ссобс*≤1/(1+1,5⋅1,5)≈0,3. Доля присоединений, для которых I_{C собс*}>0,3, на центрах питания электрических сетей среднего напряжения может достигать 10% и более (Шуин В.А. Максимальные токовые защиты от замыканий на землю на основе высших гармоник для компенсированных кабельных сетей 6-10 кВ / В.А. Шуин, В.А. Мартынов, Е.С. Шагурина, Т.Ю. Шадрикова // Электротехника, 2018, №1. - С. 62-72). Таким образом, адаптивная ТЗНП не позволяет получить максимально универсальное (не имеющее ограничений по области возможного применения) решение в части селективной защиты от ОЗЗ для компенсированных и некомпенсированных сетей среднего напряжения.

Из изложенного выше можно сделать вывод, что селективность и чувствительность известных устройств защиты от ОЗЗ для электрических сетей среднего напряжения и область их возможного применения ограничены либо по величине максимального допустимого отношения собственного емкостного тока защищаемого присоединения к суммарному емкостному току сети, либо по разновидностям ОЗЗ, при которых обеспечивается эффективность функционирования защиты, либо режимом заземления нейтрали, при котором возможно применение защиты данного типа.

Технический результат заявляемого изобретения заключается в повышении селективности и чувствительности устройства защиты от ОЗЗ с двумя подведенными величинами при устойчивых и дуговых перемежающихся замыканиях на землю и в максимальном расширении области его применения в электрических сетях среднего напряжения, работающих с изолированной нейтралью или с компенсацией емкостного тока.

Технический результат достигается тем, что устройство защиты от однофазных замыканий на землю в сетях с изолированной нейтралью и с компенсацией емкостных токов, содержащее на каждой линии датчик тока нулевой последовательности, выход которого подключен к входам первого и второго полосовых частотных фильтров, выходами присоединенных соответственно к первому и второму входам первого блока переключения, измерительный трансформатор напряжения нулевой последовательности, выход которого подключен к входам третьего и четвертого полосовых частотных фильтров, выходами присоединенных соответственно к первому и второму входам второго блока переключения, выходом связанного с входом дифференциатора, и элемент временной задержки на срабатывание, дополнительно содержит блок линейного преобразования, первый и второй корреляторы, блок деления, блок вычисления абсолютного значения, первый и второй элементы сравнения, третий и четвертый блоки переключения, логический элемент «ИЛИ», пусковой орган по напряжению нулевой последовательности и логический элемент «И», при этом первый вход первого коррелятора подключен к выходу первого блока переключения, второй вход первого коррелятора и первый и второй входы второго коррелятора подключены через блок линейного преобразования к выходу дифференциатора, выход первого коррелятора присоединен к первому входу блока деления, выход второго коррелятора присоединен к второму входу блока деления, выходом связанного с входом первого элемента сравнения и через блок вычисления абсолютного значения с входом второго элемента сравнения, выходы которых соответственно через третий и четвертый блоки переключения подключены к входам логического элемента «ИЛИ», выходом присоединенного к первому входу логического элемента «И», второй вход которого подключен к выходу пускового органа по напряжению нулевой последовательности, входом связанного с выходом измерительного трансформатора напряжения нулевой последовательности, при этом выход логического элемента «И» подключен к входу элемента временной задержки на срабатывание.

Введенный первый коррелятор предназначен для вычисления взаимной корреляционной функции тока нулевой последовательности 3i₀ и производной напряжения нулевой последовательности , второй коррелятор - для вычисления собственной корреляционной функции производной напряжения нулевой последовательности . Введенный блок деления по отношению указанных выше корреляционных функций вычисляет величину, пропорциональную реактивной проводимости нулевой последовательности защищаемой линии - емкость нулевой последовательности C₀. Введенный первый элемент сравнения определяет знак величины C₀, отрицательное значение которой соответствует ОЗЗ на защищаемой линии, т.е. реализует функцию направленной адмитансной защиты. Введенный второй элемент сравнения сравнивает абсолютное значение С₀ с уставкой С_{0 уст}, превышение которой соответствует ОЗЗ на защищаемой линии, за счет чего реализуется функция ненаправленной адмитансной защиты. Введенный пусковой орган по напряжению нулевой последовательности обеспечивает отстройку защиты от режимов без ОЗЗ, например, коммутационных переключений в сети, электромагнитных наводок во вторичных цепях тока и напряжения нулевой последовательности и др. Введенные третий и четвертый блоки переключения предназначены для ввода или вывода из работы соответственно функций направленной и ненаправленной адмитансной защиты.

На фиг. 1 приведена упрощенная трехфазная схема замещения радиальной сети среднего напряжения, работающей с изолированной нейтралью или с заземлением нейтрали через ДГР, где приняты следующие обозначения:

е_А, е_В, е_С - фазные ЭДС источника питания;

С_0∑, G_0∑ - суммарная емкость и суммарная активная проводимость фазы сети на землю соответственно;

С_{0 собс}, G_{0 собс} - собственная емкость и собственная активная проводимость фазы на землю соответственно;

L_N - индуктивность ДГР, включаемого при работе сети с компенсацией емкостных токов;

- внешнее ОЗЗ (вне защищаемой зоны);

- внутреннее ОЗЗ (в защищаемой зоне);

i_L - ток через ДГР;

, - ток в месте ОЗЗ.

На фиг. 2 представлена схема предлагаемого устройства защиты от однофазных замыканий на землю в сетях с изолированной нейтралью и с компенсацией емкостных токов, где приняты следующие обозначения:

1 - датчик тока нулевой последовательности;

2 - первый полосовой частотный фильтр;

3 - второй полосовой частотный фильтр;

4 - первый блок переключения;

5 - измерительный трансформатор напряжения нулевой последовательности;

6 - третий полосовой частотный фильтр;

7 - четвертый полосовой частотный фильтр;

8 - второй блок переключения;

9 - дифференциатор;

10 - элемент временной задержки на срабатывание;

11 - блок линейного преобразования;

12 - первый коррелятор;

13 - второй коррелятор;

14 - блок деления;

15 - первый элемент сравнения;

16 - блок вычисления абсолютного значения;

17 - второй элемент сравнения;

18 - третий блок переключения;

19 - четвертый блок переключения;

20 - логический элемент «ИЛИ»;

21 - логический элемент «И»;

22 - пусковой орган по напряжению нулевой последовательности.

На фиг. 3, а и фиг. 3, б приведены осциллограммы, иллюстрирующие работу устройства защиты при внутреннем и внешнем ДПОЗЗ, переходящем в УОЗЗ, в сети с изолированной нейтралью. На фиг. 4, а и фиг. 4, б приведены осциллограммы, иллюстрирующие работу устройства защиты при внутреннем и внешнем ДПОЗЗ, переходящем в УОЗЗ, в сети с компенсацией емкостных токов. На фиг. 3, а, фиг. 3, б, фиг. 4, а, фиг. 4, б приняты следующие обозначения:

u4 - сигнал на выходе первого блока переключения 4;

u11 - сигнал на выходе блока линейного преобразования 11;

u12 - сигнал на выходе первого коррелятора 12;

u13 - сигнал на выходе второго коррелятора 13;

u14 - сигнал на выходе блока деления 14;

u15 - сигнал на выходе первого элемента сравнения 15;

u16 - сигнал на выходе блока вычисления абсолютного значения 16 и значение уставки срабатывания С_0уст=const;

u17 - сигнал на выходе второго элемента сравнения 17;

u22 - сигнал на выходе пускового органа по напряжению нулевой последовательности 22;

u10 - сигнал на выходе элемента временной задержки на срабатывание 10 (при уставке по времени срабатывания t_cp=0 с).

Сущность предполагаемого изобретения заключается в следующем.

В электрических сетях среднего напряжения, работающих с изолированной нейтралью или с компенсацией емкостного тока, для выполнения защиты от ОЗЗ используются составляющие тока 3i₀ напряжения 3u₀ нулевой последовательности. В сети с изолированной нейтралью ток 3i_0з в месте повреждения и напряжение 3u₀ на шинах защищаемого объекта в установившемся и переходном режимах ОЗЗ связаны следующим соотношением (Шуин В.А. Начальные фазовые соотношения электрических величин переходного процесса при замыканиях на землю в кабельных сетях 6-10 кВ // Электричество. - 1991, №10. - С. 58-61; Шуин В.А., Гусенков А.В. Защиты от замыканий на землю в электрических сетях 6-10 кВ. - М.: НТФ «Энергопрогресс», «Энергетик». - 2001):

Соотношение (14) выполняется не только для составляющих основной частоты 50 Гц, но и для высших гармонических составляющих, как в установившемся, так и в переходном режимах ОЗЗ, для которых входное сопротивление (проводимость) всех линий сети по отношению к земле имеет емкостный характер. Для кабельных и воздушных сетей среднего напряжения с учетом параметров и возможных длин линий практически это имеет место при частотах до 1,5-2 кГц (Шадрикова Т.Ю. Разработка принципов выполнения комплексной многофункциональной защиты от однофазных замыканий на землю кабельных сетей 6-10 кВ. / Дис. … канд. техн. наук. - Иваново, ИГЭУ, 2016). В указанном диапазоне частот до 1,5-2 кГц распределение составляющих тока по неповрежденным присоединениям не зависит от продольных активно-индуктивных сопротивлений линий и других элементов сети и определяется только их собственными емкостями фаз на землю. Из фиг. 1 с учетом указанного допущения для тока 3i_{0 неп} в неповрежденном присоединении (при внешнем ОЗЗ, т. ) получим:

Ток в поврежденном присоединении 3i_{0 пов} (при внутреннем ОЗЗ, т. ) в сети с изолированной нейтралью равен взятой с обратным знаком сумме токов 3i_{0 неп} всех неповрежденных присоединений:

где 3С_{0 собс.пов} - собственная емкость фаз на землю поврежденного присоединения.

Из (15) и (16) для неповрежденного и поврежденного присоединений получим соответственно

где С_{0 неп}, С_{0 пов} - емкость нулевой последовательности защищаемого присоединения при внешних и внутренних ОЗЗ соответственно.

Из (17) и (18) можно видеть, что в указанном выше диапазоне частот гармонических составляющих до 1-2 кГц для неповрежденного присоединения (при внешнем ОЗЗ) емкость нулевой последовательности С_{0 неп} определяется собственной емкостью фаз на землю 3С_{0 собс} защищаемого присоединения и всегда положительна.

Для поврежденного присоединения (при внутреннем ОЗЗ) емкость нулевой последовательности С_{0 пов} определяется емкостью фаз на землю внешней сети 3(C_0∑ - С_{0 собс.пов}) и всегда отрицательна. Таким образом, используя в качестве воздействующей величины знак отношения можно выполнить направленную защиту от ОЗЗ, селективность которой в диапазоне частот входного тока и напряжения нулевой последовательности до 1,5-2 кГц обеспечивается как в установившихся, так и в переходных режимах ОЗЗ.

Однако непосредственное определение емкости нулевой последовательности защищаемого присоединения С₀ на основе соотношений для мгновенных значений тока 3i_{0 неп}(t) производной напряжения нулевой последовательности (17) и (18) практически невозможно из-за влияния на знак и величину замера угловых погрешностей первичного преобразователя (датчика) тока нулевой последовательности, первичного преобразователя (трансформатора) напряжения нулевой последовательности и схемы формирования сравниваемых величин (например, частотных фильтров), существенно возрастающих в переходных режимах ОЗЗ. Исключить влияние указанных погрешностей можно, используя в (17) и (18) вместо отношения мгновенных значений сравниваемых величин отношение взаимной корреляционной функции сигналов 3i_{0 неп}(t) и к собственной корреляционной функции сигнала на заданном интервале времени наблюдения Т_н

При внешних ОЗЗ отношение (19) равно усредненному на интервале времени наблюдения значению С_{0 неп}

а при внутренних ОЗЗ - усредненному на интервале времени наблюдения значению С_{0 пов}

Используя в качестве воздействующей величины абсолютное значение измеряемой величины можно также выполнить ненаправленную максимальную защиту от ОЗЗ. Для обеспечения селективности несрабатываний такой защиты при внешних ОЗЗ (вне защищаемой зоны, например, т. , фиг. 1), уставка срабатывания по воздействующей величине С_{0 уст} должна выбираться из условия

где К_отс - коэффициент отстройки, учитывающий погрешности первичных преобразователей тока и напряжения нулевой последовательности, схемы формирования сравниваемых величин (например, частотных фильтров) и схемы сравнения.

Чувствительность ненаправленной максимальной защиты, основанной на контроле емкости нулевой последовательности защищаемого присоединения, при внутренних ОЗЗ (например, т. , фиг. 1) определяется соотношением

где К_ч.мин - минимально допустимое значение коэффициента чувствительности.

Из (22) и (23) можно получить условие применимости ненаправленной максимальной защиты, основанной на контроле величины емкости нулевой последовательности |C₀| защищаемого присоединения:

т.е. аналогично условию применимости (10) рассмотренной выше адаптивной ТЗНП.

В компенсированных сетях соотношения (14)-(16) справедливы только для высших гармонических составляющих (Кискачи В.М. Селективность сигнализации замыканий на землю с использованием высших гармоник // Электричество. - 1967. - №9. - С. 24-29):

где 3i_{0З ВГ}, 3i_{0неп ВГ}, 3i_{0 пов ВГ} - высшие гармонические составляющие токов 3i₀ в месте ОЗЗ, неповрежденном и поврежденном присоединениях соответственно; - производная высших гармонических составляющих напряжения нулевой последовательности.

Из (26) и (27) с учетом (20) и (21) можно получить следующие соотношения:

- при внешних ОЗЗ

- при внутренних ОЗЗ

На основе соотношений (28) и (29) можно выполнить направленную защиту от ОЗЗ в компенсированных сетях, используя для замера емкости нулевой последовательности С₀ защищаемого присоединения только высшие гармонические составляющие тока и производной напряжения нулевой последовательности. Для того достаточно с помощью частотных фильтров подавить во входных величинах 3i₀(t) и 3u₀(t) составляющую рабочей частоты 50 Гц.

Используя в качестве воздействующей величины абсолютное значение в компенсированных сетях можно выполнить также ненаправленную максимальную защиту от ОЗЗ. Условия выбора уставки срабатывания С_{0 уст}, оценки чувствительности при внутренних ОЗЗ и применимости для компенсированных сетей, как и для некомпенсированных, определяются соотношениями (22)-(24).

Предлагаемое устройство защиты от однофазных замыканий на землю в компенсированных электрических сетях среднего напряжения (фиг. 2) содержит на каждой линии датчик тока нулевой последовательности 1, подключенный к входам первого полосового частотного фильтра 2 и второго полосового частотного фильтра 3, выходы которых подключены соответственно к первому и второму входам первого блока переключения 4, и измерительный трансформатор напряжения нулевой последовательности 5, подключенный к входам третьего полосового частотного фильтра 6 и четвертого полосового частотного фильтра 7, выходами связанных соответственно с первым и вторым входами второго блока переключения 8. Выход второго блока переключения 8 через дифференциатор 9 и блок линейного преобразования 11 подключен к второму входу первого коррелятора 12, первый вход которого присоединен к выходу первого блока переключения 4. Первый и второй входы второго коррелятора 13 подключены к выходу блока линейного преобразования 11. Выход первого коррелятора 12 подключен к первому входу блока деления 14, выход второго коррелятора 13 присоединен к второму входу блока деления 14, выходом связанного с входом первого элемента сравнения 15 и через блок вычисления абсолютного значения 16 с входом второго элемента сравнения 17. Выход первого элемента сравнения 15 через третий блок переключения 18 подключен к первому входу, выход второго элемента сравнения 17 через четвертый блок переключения 19 подключен к второму входу логического элемента «ИЛИ» 20, выходом присоединенного к первому входу логического элемента «И» 21, второй вход которого подключен к выходу пускового органа по напряжению нулевой последовательности 22, входом связанного с выходом упомянутого измерительного трансформатора напряжения нулевой последовательности 5, при этом выход логического элемента «И» 21 подключен к входу элемента временной задержки на срабатывание 10.

Устройство работает следующим образом. При возникновении в сети ОЗЗ в поврежденном и неповрежденных присоединениях на выходах датчиков (фильтров) тока нулевой последовательности 1 появляются токи 3i₀, а на выходе измерительного трансформатора (фильтра) напряжения нулевой последовательности 5 - напряжение 3u₀. В сети, работающей с изолированной нейтралью, токи 3i_0неп в неповрежденных присоединениях связаны с напряжением 3u₀ соотношением (15), а ток 3i_{0 пов} в поврежденном присоединении - соотношением (16), причем указанные соотношения справедливы как для составляющей основной частоты 50 Гц, так и для высших гармонических составляющих как установившегося, так и переходного режимов ОЗЗ в диапазоне частот до 1,5-2 кГц, в пределах которого входное сопротивление нулевой последовательности неповрежденных линий (сопротивление трех фаз на землю) имеет практически чисто емкостный характер. При работе устройства защиты в сети с изолированной нейтралью первый блок переключения 4 и второй блок переключения 8 устанавливаются в положение I, в котором устройство защиты работает с использованием первого полосового частотного фильтра 2 и третьего полосового частотного фильтра 6, обеспечивающих пропускание составляющих в полосе частот до 1,5-2 кГц, включая составляющие основной частоты 50 Гц. С выхода первого блока переключения 4 мгновенные значения тока 3i₀(t) подаются на первый вход первого коррелятора 12. С выхода второго блока переключения 8 мгновенные значения напряжения 3u₀(t) подаются на вход дифференциатора 9. Мгновенные значения производной напряжения нулевой последовательности с выхода дифференциатора 9 через блок линейного преобразования 11 подаются на второй вход первого коррелятора 12 и на первый и второй входы второго коррелятора 13. Блок линейного преобразования 11 уменьшает выходной сигнал в три раза, осуществляя преобразование Сигнал на выходе первого коррелятора 12 определяется соотношением а сигнал на выходе второго коррелятора 13 - соотношением Время наблюдения за входным сигналом Т_н должно обеспечивать формирование непрерывного устойчивого сигнала на выходах первого коррелятора 12 и второго коррелятора 13 не только при УОЗЗ, но и при наиболее опасных для защищаемой сети ДПОЗЗ. Основную опасность при ДПОЗЗ представляют перенапряжения, охватывающие всю электрически связанную сеть среднего напряжения. Известно (Аль-Хомиди М.С. Оценка чувствительности токовых защит от замыканий на землю в кабельных сетях 6-10 кВ / М.С. Аль-Хомиди, О.А. Добрягина, Е.С. Шагурина, Т.Ю. Шадрикова, В.А. Шуин // Вестник ИГЭУ. - 2016. - Вып. 3. - С. 50-55), что опасные для сети перенапряжения возникают при дуговых 033, при которых интервалы времени Δt между повторными пробоями изоляции не превышают ~60 мс. С учетом этого в целях четкой фиксации устройством защиты опасных ДПОЗЗ время наблюдения Т_н, определяющее время усреднения выходного сигнала первого коррелятора 12 и второго коррелятора 13, должно приниматься не менее 60 мс.

Выходные сигналы первого коррелятора 12 и второго коррелятора 13 подаются соответственно на первый и второй входы блока деления 14. На неповрежденных присоединениях сигнал на выходе блока деления 14, равный значению емкости нулевой последовательности С₀, как в установившемся, так и в переходных режимах ОЗЗ определяется соотношением (20) и равен величине собственной емкости фаз на землю защищаемого присоединения 3С_{0 собс}, т.е. всегда положителен. На поврежденном присоединении сигнал С₀ на выходе блока деления 14 в установившемся и переходных режимах ОЗЗ определяется соотношением (21) и равен значению емкости фаз внешней сети, взятой с обратным знаком, -3(С_0∑-С_{0 собс}), т.е. всегда отрицателен. Сигнал С₀ с выхода блока деления 14 подается на вход первого элемента сравнения 15 и через блок вычисления абсолютного значения 16 на вход второго элемента сравнения 17. Первый элемент сравнения 15 выполняет операцию сравнения С₀≤0, т.е. сигнал на его выходе появляется только при отрицательном значении С₀, что имеет место только на поврежденном присоединении. На неповрежденных присоединениях сигнал на выходе блока деления 14 всегда положителен, потому сигнал на выходе первого элемента сравнения отсутствует. Таким образом, первый элемент сравнения реализует защиту от ОЗЗ, реагирующую на знак величины С₀, т.е. направленную защиту. Второй элемент сравнения 17 выполняет операцию сравнения |С₀|≥С_{0 уст}, т.е. реализует ненаправленную максимальную защиту, реагирующую на абсолютное значение емкости нулевой последовательности С₀ защищаемого присоединения. Уставка срабатывания С_{0 уст} ненаправленной максимальной защиты определяется из условия (22), а условия применимости (селективности при внешних ОЗЗ и чувствительности при внутренних ОЗЗ) - выражением (24).

Выходные сигналы первого элемента сравнения 15 через третий блок переключения 18 и второго элемента сравнения 17 через четвертый блок переключения 19 подаются соответственно на первый и второй входы логического элемента «ИЛИ» 20. Третий блок переключения 18 и четвертый блок переключения 19 предназначены для ввода или вывода из работы направленной и ненаправленной защит от ОЗЗ: для вывода соответствующей защиты из работы накладка блока переключения устанавливается в положение I, для ввода в работу - в положение II. Одним из недостатков любых направленных защит от ОЗЗ являются отказы их функционирования из-за возможных в реальных условиях эксплуатации ошибок в полярности подключения вторичных цепей тока датчиков тока нулевой последовательности. Потому на присоединениях, для которых выполняются условия применимости ненаправленной максимальной защиты (24), направленную защиту целесообразно выводить из работы, устанавливая накладку третьего блока переключения 18 в положение I. На присоединениях, для которых условие (24) не выполняется, должна быть выведена из работы ненаправленная максимальная защита установкой накладки четвертого блока переключения 19 в положение I.

Выходной сигнал логического элемента «ИЛИ» 20 подается на первый вход логического элемента «И» 21, на второй вход которого подается сигнал с выхода пускового органа по напряжению нулевой последовательности 22. Пусковой орган по напряжению нулевой последовательности 22 предназначен для отстройки устройства защиты от режимов, не связанных с ОЗЗ, в которых возможно появление тока и напряжения нулевой последовательности, например, коммутационных переключений в защищаемой сети, внешних коротких замыканиях в смежных сетях другого напряжения и др. Сигнал с выхода логического элемента «И» 21 подается на вход элемента временной задержки на срабатывание 10, обеспечивающего действие защиты на сигнал или отключение с заданной выдержкой времени t_cp.

Для защит от ОЗЗ, использующих для действия высшие гармонические составляющие тока 3i₀, при выборе уставки срабатывания по воздействующей величине и оценке чувствительности значения коэффициента отстройки К_отс в (22) и (24) и коэффициента чувствительности К_мин в (23) и (24) рекомендуется принимать не менее 1,5 (Кискачи В.М. Селективность сигнализации замыканий на землю с использованием высших гармоник // Электричество. - 1967. - №9. - С. 24-29; Правила устройства электроустановок (ПУЭ). 7-е издание. [Утверждены приказом Минэнерго Российской Федерации от 08.07.2002. №204]. - М.: Омега-Л, 2012). При К_отс=1,5 и К_ч.мин=1,5 из (21) получим, что применение ненаправленной максимальной защиты, основанной на контроле емкости нулевой последовательности С₀, возможно на присоединениях, относительное значение собственного емкостного тока которых не превышает значения Таким образом, ненаправленная максимальная защита позволяет обеспечить такую же область применения, как и адаптивная ТЗНП, и значительное расширение области возможного применения по сравнению с традиционными ТЗНП (для последних ограничение по величине собственного емкостного тока защищаемого присоединения I_{c собс*}≤0,2). Направленная защита, основанная на контроле знака емкости нулевой последовательности С₀, не имеет ограничений по величине собственного емкостного тока защищаемого присоединения I_{c собс*}. Потому в целом в отличие от прототипа предлагаемая защита не имеет ограничений по области возможного применения, т.е. обеспечивает более широкую область применения.

Преимуществом предлагаемого устройства защиты по сравнению с традиционными адмитансными защитами является независимость замера значения воздействующей величины С₀ от влияния переходных токов, что позволяет обеспечить высокую селективность и чувствительность направленной и ненаправленной защиты не только при УОЗЗ, но и в переходных режимах при дуговых ОЗЗ.

При работе устройства защиты в компенсированной сети первый блок переключения 4 и второй блок переключения 8 устанавливаются в положение II, в котором устройство защиты работает с использованием второго полосового частотного фильтра 3 и четвертого полосового частотного фильтра 7, обеспечивающих подавление составляющей основной частоты 50 Гц и пропускание высших гармонических составляющих в полосе частот до 1,5-2 кГц. Во всем остальном работа предлагаемого устройства защиты от ОЗЗ и условия его применимости в компенсированной сети аналогичны описанной выше работе устройства и условиям его применимости в сети с изолированной нейтралью.

Расчетные осциллограммы, приведенные на фиг. 3, а и 3, б, иллюстрируют работу устройства защиты и автоматическую коррекцию уставки I_уст(t) при внутреннем и при внешнем сложном виде ОЗЗ (ДПОЗЗ, переходящее в УОЗЗ) в сети с изолированной нейтралью. Осциллограммы, приведенные на фиг. 4, а и 4, б, иллюстрируют то же самое, что и осциллограммы на фиг. 3, а и 3, б, но при работе устройства защиты в компенсированной сети.

Таким образом, предлагаемое устройство позволяет получить универсальное решение в части защиты от ОЗЗ как для сетей с изолированной нейтралью, так и для компенсированных сетей, не имеющее ограничений по области возможного применения и обеспечивающее высокую селективность и чувствительность как при устойчивых ОЗЗ, так и в переходных режимах при дуговых замыканиях на землю.

Устройство защиты от однофазных замыканий на землю в сетях с изолированной нейтралью и с компенсацией емкостных токов, содержащее на каждой линии датчик тока нулевой последовательности, выход которого подключен к входам первого и второго полосовых частотных фильтров, выходами присоединенных соответственно к первому и второму входам первого блока переключения, измерительный трансформатор напряжения нулевой последовательности, выход которого подключен к входам третьего и четвертого полосовых частотных фильтров, выходами присоединенных соответственно к первому и второму входам второго блока переключения, выходом связанного с входом дифференциатора, и элемент временной задержки на срабатывание, отличающееся тем, что дополнительно содержит блок линейного преобразования, первый и второй корреляторы, блок деления, блок вычисления абсолютного значения, первый и второй элементы сравнения, третий и четвертый блоки переключения, логический элемент ИЛИ, пусковой орган по напряжению нулевой последовательности и логический элемент И, при этом первый вход первого коррелятора подключен к выходу первого блока переключения, второй вход первого коррелятора и первый и второй входы второго коррелятора подключены через блок линейного преобразования к выходу дифференциатора, выход первого коррелятора присоединен к первому входу блока деления, выход второго коррелятора присоединен к второму входу блока деления, выходом связанного с входом первого элемента сравнения и через блок вычисления абсолютного значения - с входом второго элемента сравнения, выходы которых соответственно через третий и четвертый блоки переключения подключены к входам логического элемента ИЛИ, выходом присоединенного к первому входу логического элемента И, второй вход которого подключен к выходу пускового органа по напряжению нулевой последовательности, входом связанного с выходом измерительного трансформатора напряжения нулевой последовательности, при этом выход логического элемента И подключен к входу элемента временной задержки на срабатывание.