способ защиты от однофазного замыкания на землю многокабельной линии в электрической сети переменного напряжения

Формула изобретения

Способ защиты от однофазного замыкания на землю многокабельной линии в электрической сети переменного напряжения с изолированной нетралью, основанный на измерении токов нулевой последовательности кабелей защищаемой линии и выдаче сигнала о происшедшем однофазном замыкании на землю, отличающийся тем, что сравнивают токи нулевой последовательности каждого кабеля защищаемой многокабельной линии и по тому току, который наиболее отличается от остальных токов, определяют как поврежденный кабель, на котором произошло однофазное замыкание на землю, так и поврежденную линию в целом.

Описание изобретения к патенту

Предполагаемое изобретение относится к области электроснабжения и защиты многокабельных линий и может использоваться в электрических сетях переменного тока напряжением 6-35 кВ с изолированной нейтралью.

Хорошо известен и применяется в промышленности способ определения поврежденной от однофазного замыкания на землю (ОЗЗ) кабельной линии, при котором измеряют ток нулевой последовательности каждого кабеля линии. Если этот ток превышает заранее установленный порог (уставку), то срабатывает предназначенный для этого элемент, например реле тока, и подается сигнал о повреждении кабеля и линии в целом. Этот сигнал также может быть использован для отключения поврежденной линии от электрической сети. Этот способ многократно описан в литературе, например:

1. Кривенков В.В., Новелла В.Н. Релейная защита и автоматика систем электроснабжения. 1981, М., Энергоиздат;

2. Шабад М.А. Расчеты релейной защиты и автоматики распределительных сетей. 3-е изд., Л., 1985, Энергоатомиздат.

Отметим, что многокабельная линия состоит из двух и более кабелей, которые соединены параллельно, т.е. жилы одноименных фаз кабелей в начале кабельной линии и на ее конце подключены к общему электрическому контакту. Каждый кабель линии снабжен своим трансформатором тока нулевой последовательности (ТТНП). Первичной обмоткой ТТНП является сам кабель, на который ТТНП "одевают", т.е. кабель проходит через отверстие ТТНП. Вторичные обмотки ТТНП кабелей линии соединяют последовательно или параллельно. Если одна линия состоит из четырех и более кабелей, то вторичные обмотки их ТТНП могут быть соединены также параллельно-последовательно, например по две обмотки соединяют последовательно, а затем две такие пары обмоток соединяют параллельно. Полученный с такого соединения вторичных обмоток ТТНП электрический сигнал используют для сигнализации о наличии ОЗЗ именно на этой кабельной линии или используют этот сигнал также и для отключения этой поврежденной линии от электрической сети.

Основные недостатки рассмотренного способа защиты от ОЗЗ следующие:

1) появление ошибочного (неправильного) сигнала об ОЗЗ на многокабельной линии в том случае, когда эта линия питает подстанцию низшего уровня и ОЗЗ произошло на линии, которая отходит от шин этой подстанции низшего уровня;

2) появление ошибочного сигналя об ОЗЗ на указанной линии в случае, когда шины данной подстанции питаются посредством многокабельных линий связи от двух или большего числа подстанций, каждая из которых имеет собственный источник питания - трансформатор (например, 110/6 кВ) или генератор. В этом случае ОЗЗ на какой-либо линии, отходящей от шин 6-10 кВ упомянутых подстанций, объединенных линиями связи, приводит к появлению ошибочного сигнала об ОЗЗ на одной, двух или даже на всех линиях связи между подстанциями;

3) ненадежная работа, т.е. недостаточный уровень сигнала при ОЗЗ на многокабельной линии, которая питает конечный токоприемник, в случае значительной длины линии (0,5...0,7 км);

4) пониженный (ниже необходимого) уровень сигнала об ОЗЗ при возникновении ОЗЗ в самом конце многокабельной линии, питающей мощный токоприемник.

Итак, в качестве прототипа выбирается вышеупомянутый способ защиты от однофазного замыкания на землю многокабельной линии в электрической сети переменного напряжения с изолированной нейтралью, при котором измеряют токи нулевой последовательности кабелей защищаемой линии и выдают сигнал о прошедшем ОЗЗ только при превышении этим током нулевой последовательности заранее определенного порога (установки).

Основным недостатком известного способа - прототипа - является то, что он базируется на измерении величины тока нулевой последовательности, протекающего по кабелям защищаемой от ОЗЗ линии. Но как можно видеть из указанных выше недостатков 1, 2, ток нулевой последовательности повышенной величины течет по кабелям многокабельной линии и в том случае, когда ни один из ее кабелей не поврежден, а ОЗЗ произошло за пределами этой линии.

Также известно, что суммарный емкостной ток нулевой последовательности района электроснабжения (одной секции шин 6-10 кВ подстанции или группы подстанций) может изменяться от наименьшего до наибольшего в диапазоне примерно 1:4. Это значит, что при ОЗЗ в режиме наименьшего тока нулевой последовательности уровень сигнала вторичных обмоток ТТНП может оказаться меньше установки и система защиты не сработает.

Что касается недостатков 3, 4, то здесь часто не выполняется требование к коэффициенту чувствительности релейной защиты от ОЗЗ К_ч , который должен быть равен К_ч>1,25. Это влечет за собой ненадежность, а иногда и несостоятельность известного способа защиты кабелей от ОЗЗ.

Итак, основной недостаток известного способа защиты от ОЗЗ - измерение величины тока нулевой последовательности многокабельной линии - не обеспечивает надежной и правильной его работы по защите кабелей от ОЗЗ.

В основу изобретения поставлена задача повышения эффективности и надежности защиты многокабельных линий от ОЗЗ путем получения достоверной информации об ОЗЗ на одном из кабелей многокабельной линии.

Поставленная задача решается тем, что в способе защиты от ОЗЗ многокабельной линии в электрической сети переменного напряжения с изолированной нейтралью, основанном на измерении токов нулевой последовательности кабелей защищаемой линии и выдаче сигнала о происшедшем на ней однофазном замыкании, согласно изобретению сравнивают ток нулевой последовательности каждого кабеля защищаемой многокабельной линии и по тому току, который наиболее отличается от остальных токов, определяют как поврежденный кабель, на котором произошло ОЗЗ, так и поврежденную линию в целом.

Таким образом, новая совокупность ограничительных и отличительных признаков обеспечивает достижение нового технического результата - получение достоверной информации об ОЗЗ на одном из кабелей многокабельной линии, обеспечивающее повышение эффективности и надежности защиты многокабельных линий от ОЗЗ.

Суть заявляемого способа поясняется чертежом, где изображена трехфазная схема замещения электрической сети 6 кВ с изолированной нейтралью.

На чертеже изображены шины 1 6 кВ головной подстанции (ГП) с фазами А, В, С и такие же шины 2 подстанции нижнего уровня (ПНУ). Шины 1 ГП питаются от вторичной обмотки 3 трансформатора значительной мощности (например, 31 МВА, 110/6 кВ). От шин 1 ГП отходят кабельные линии 5.1, 5.2,...,5.n. Каждая фаза А, В, С линий 4 и 5 имеет емкость С относительно земли 6. Эта емкость существует физически, но не материально. Отходящие линии 4 шин 1 ГП питают в основном подстанции нижнего уровня и частично собственные токоприемники. Отходящие линии 5 шин 2 ПНУ питают в основном токоприемники и частично подстанции еще более низкого уровня и распределительные пункты (эти токоприемники и шины упомянутых подстанций и пунктов на чертеже не показаны).

Линии, питающие подстанции, как правило являются многокабельными, то есть состоят из двух и более кабелей, включенных параллельно. Одна такая линия 4.m изображена на чертеже. Это линия связи, она состоит из четырех кабелей 4.m.1, 4.m.2, 4.m.3, 4.m.4, включенных параллельно через шины 1 ГП и 2 ПНУ. Для простоты емкости фаз кабелей 4.m относительно земли на чертеже не показаны.

Каждая фаза кабелей 4.m характеризуется электрическим сопротивлением 7 - 7.1, 7.2, 7.3, 7.4 для кабелей 4.m.1,...,4.m.4. Это сопротивление имеет активно-индуктивный характер. На каждый кабель отходящей линии - однокабельной или многокабельной - "одет" трансформатор тока нулевой последовательности ТТНП 8. На чертеже такие ТСНП 8.1...8.4 показаны только на линии связи 4.m, на других линиях они для простоты не показаны (недостаток места на чертеже). Трансформаторы 8 со знаком "В" ("верхний") установлены на кабелях, отходящих от шин 1 верхнего уровня, а со значком "Н" ("нижний") - на кабелях, отходящих от шин 2 нижнего уровня. К вторичной обмотке каждого ТТНП подключен резистор 9.

Сигнал 10 наличия тока нулевой последовательности, свидетельствующий о возникновении ОЗЗ в сети 6 кВ, снимают с части сопротивления резисторов 9 и подают на вход блоков сравнения 11 шин 1 и блоков сравнения 12 шин 2. Для шин 1 ГП - это сигналы 10.1.в, 10.2.в, 10.3.в, 10.4.в, которые берут с резисторов соответственно 9.1.в, 9.2.в, 9.3.в, 9.4.в и подают на блок сравнения 11. Для шин 2 ПНУ - это сигналы 10.1.н...10.4.н, которые берут с резисторов 9.1.н...9.4.н и подают на блок 12. Выходной сигнал 13 с блока 11 и выходной сигнал 14 с блока 12 появляются в случае возникновения ОЗЗ в одном из кабелей именно в этой линии, то есть в одном из кабелей 4.m.1...4.m.4.

Рассмотрим два варианта ОЗЗ: 15 на кабеле линии 5.n шин 2 и 16 на кабеле 4.m.4 линии связи 4.m между шинами 1 и 2.

При возникновении ОЗЗ 15 на фазе С кабеля 5.n, отходящего от шин 2 ПНУ, токи нулевой последовательности текут через емкости жил фаз А и В всех кабельных линий 5.1...5.n. Емкостный ток суммируется на шинах 2 6кВ и по жилам фаз А и В линии связи 4.m течет к вторичной обмотке 3 трансформатора шин 1 (фазы А и В). Далее по фазе С (на которой произошло ОЗЗ в сети) этой обмотки, по шине С шин 1 и по жилам линии 4.m ток ОЗЗ течет к фазе С шин 2, потом к жиле фазы С поврежденной линии 5.n и наконец в точку замыкания - в точку ОЗЗ 15. Часть емкостного тока от места ОЗЗ 15 течет по емкостям жил фаз А и В линии 4.1...4.m к фазе С линии 5.n и к месту ОЗЗ 15. Этими же путями течет и собственный емкостной ток линии 4.m.

Отметим, что подавляющее большинство многокабельных линий состоит из кабелей с одинаковым сечением жил, например из кабелей сечением 3×150 кв. мм. Длина всех кабелей одной многокабельной линии одинакова, поэтому и сопротивление 7 одной жилы одноименной фазы каждого кабеля между шинами 1 и 2 одинаково. Поэтому и емкостный ток нулевой последовательности (ток ОЗЗ) распределяется равномерно по жилам одноименной фазы кабелей 4.m.1, 4.m.2, 4.m.3, 4.m.4. Если, например, суммарный ток ОЗЗ одной фазы на шинах 2 составляет 40 А, то по каждой жиле фазы А кабелей 4.m.1...4.m.4 течет ток 10 А. Ток поврежденной фазы С будет большим 40 А, так как к нему прибавляется ток ОЗЗ линий 4.1...4.n шин 1, скажем 20 А. Таким образом, по фазе С линии 4.m будет течь ток 1,73×60 А к месту ОЗЗ 15, а через каждую жилу фазы С кабелей 4.m.1...4.m.4 будет протекать ток 1,73×15 А.

Через отверстия трансформаторов ТТНП 8.1...8.4 кабелей линии 4.m течет разница токов фаз А, В - одно направление - и фазы С - противоположное направление - в каждый момент времени. Соответственно, к приведенным выше токам 40 и 20 А результирующий ток нулевой последовательности через каждый ТТНП 8.1...8.4 имеет величину 1,73×20/4=8,65 А.

Поскольку результирующий ток нулевой последовательности через каждый ТТНП линии связи 4,m один и тот же, то одинаковыми будут и сигналы на сопротивлении резисторов 9.1...9.4, а также одинаковыми будут и сигналы 10.1...10.4 на входе блоков сравнения 11, 12. Сигналы 13, 14 на входе блоков 11, 12 будут равны нулю, что свидетельствует об отсутствии ОЗЗ на кабелях 4.m.1...4.m.4 линии связи. Наличие ОЗЗ на линии 5.n должна зафиксировать система защиты от ОЗЗ именно этой линии с помощью сигнала вторичной обмотки ТТНП кабеля (кабелей) линии 5.n.

Рассмотрим теперь случай ОЗЗ 16 на кабеле 4.m.4 четырехкабельной линии 4.m. Емкостные токи от точки ОЗЗ 16 - земля 6 текут по емкостям фаз А и В всех линий, как рассмотрено выше, а потом суммируются по шине С шин 1 ГП. От этой шины С большая часть тока замыкания на землю течет через часть сопротивления 7.4 ("верхнюю" на чертеже) фазы С линии 4.m непосредственно в землю 6 через точку ОЗЗ 16, а другая его часть через параллельно соединенные сопротивления 7.1, 7.2, 7.3 фазы С кабелей 4.m.1, 4.m.2, 4.m.3 этой же линии 4.m течет к шине С шин 2 ПНУ, а затем через "нижнюю" - на чертеже часть сопротивления 7.4 фазы С поврежденного кабеля 4.m.4 течет к земле 6 через место ОЗЗ 16. Сигнал вторичных обмоток ТТНП 8 будет прямо пропорционален результирующему току нулевой последовательности первичной обмотки этого ТТНП. Составные части этого тока через отверстия ТТНП 8 текут в разных направлениях. Рассмотрим этот аспект подробнее.

Емкостные токи по поврежденным фазам А и В текут от шин 2 снизу вверх на чертеже в некоторый момент времени. В этом же направлении текут собственные емкостные токи кабелей 4.m.1...4.m.4 по фазам А, В. Результирующий ток ОЗЗ поврежденной фазы С от шин 1 течет через "верхние" ТТНП 8 сверху вниз (на чертеже). Как сказано выше, часть результирующего тока фазы С течет через часть сопротивления 7.4 кабеля 4.m.4 (фаза С) прямо на землю 6. Другая его часть равномерно распределяется между сопротивлениями фазы С кабелей 4.m.1, 4.m.2, 4.m.3 и также течет сверху вниз (на чертеже) к шине С шин 2, где эти токи вновь суммируются и текут снизу вверх через ТТНП 8.4.н и "нижнюю" часть сопротивления 7.4 поврежденной фазы С кабеля 4.m.4 к земле 6 через место повреждения 16.

Из этого рассмотрения видно, что результирующие токи нулевой последовательности через ТТНП 8.1.в, 8.2.в, 8.3.в одинаковы. Они также одинаковы и для ТТНП 8.1.н, 8.2.н, 8.3.н, хотя и имеют несколько иную величину. Результирующий ток нулевой последовательности через ТТНП 8.4.в отличается от других "верхних" ТТНП - он меньше, чем в ТТНП 8.1.в...8.3.в. Еще большая разница для ТТНП 8.4.н, так как здесь токи нулевой последовательности фаз как А и В, так и С текут в одном направлении (снизу вверх на чертеже), тогда как для других ТТНП токи нулевой последовательности фаз А, В и фазы С текут в противоположных направлениях и поэтому результирующий ток нулевой последовательности в них значительно меньше, чем в ТТНП 8.4.н. Поэтому сигнал 10.4.в на резисторе 9.4.в (поврежденный кабель 4.m.4) будет меньше, чем сигналы 10.1.в...10.3.в на резисторах 9.1.в...9.3.в (неповрежденные кабели), а сигнал 10.4 на резисторе 9.4 будет существенно больше, чем одинаковые сигналы 10.1.н...10.3.н на резисторах 9.1.н...9.3.н. Эта разница фиксируется на блоках сравнения 11 и 12, после чего на их выходах 13 и 14 появляется информация об ОЗЗ именно на кабеле 4.m.4 линии связи 4.m.

Отметим, что указанная разница увеличивается в том случае, если и шины 2 имеют также свой собственный источник питания: генератор или вторичную обмотку мощного трансформатора (110/6 кВ, 220/6 кВ и т.п.).

Также отметим, что неодинаковость сопротивлений жил кабелей многокабельной линии можно легко компенсировать масштабированием выходных сигналов 10, которые снимаются с резисторов 9, подключенных к вторичным обмоткам ТТНП 8.

Экспериментальное опробование на реальном электрооборудовании описанного способа защиты полностью подтвердило положительный эффект, достигаемый за счет использования заявляемого способа.