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

Формула изобретения

1. Способ защиты трехфазной сети с изолированной нейтралью от однофазных замыканий на землю, в соответствии с которым соединяют фазу с наибольшим значением напряжения относительно земли с землей через первое сопротивление, одновременно соединяют фазу с наименьшим значением напряжения относительно земли с землей через второе сопротивление, измеряют ток утечки на землю, фазные напряжения и определяют сопротивление изоляции сети относительно земли, сравнивают его с допустимым значением и, если оно оказывается меньше допустимого, то формируют сигнал на отключение поврежденного элемента сети, отличающийся тем, что, регистрируют значения сопротивления изоляции в определенные моменты времени, по ним определяют будущее значение сопротивления изоляции, сравнивают его с допустимым значением и, если оно оказывается меньше допустимого, то формируют информационный сигнал о приближении момента возможной аварии.

2. Способ защиты по п.1, отличающийся тем, что каждое вновь зарегистрированное значение сопротивления изоляции используют при последующем вычислении будущего значения сопротивления изоляции.

3. Способ защиты по п.1, отличающийся тем, что дополнительно определяют остаточный ресурс изоляции.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к электротехнике и предназначено для защиты трехфазной сети с изолированной нейтралью от однофазных замыканий на землю.

Известен способ защиты трехфазной сети с изолированной нейтралью от однофазных замыканий на землю, заключающийся в том, что выбирают фазу с наибольшим напряжением относительно земли, соединяют выбранную фазу с землей через первое ограничительное сопротивление, измеряют ток утечки на землю, по отношению номинального значения напряжения сети и тока утечки определяют общее активное сопротивление изоляции сети относительно земли, это сопротивление сравнивают с допустимым значением и, если оно оказывается меньше допустимого, то считают, что в защищаемой сети произошло замыкание на землю, и формируют сигнал, по которому поврежденный элемент отделяют от исправной части сети [Цапенко Е.Ф. Замыкания на землю в сетях 6-35 кВ. - М.: Энергоатомиздат, 1986, с.103-107]. При использовании этого способа контролируется только ток утечки через сопротивление изоляции и не учитывается напряжение в контролируемой сети. Это не позволяет получить приемлемую точность оценки состояния изоляции.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому изобретению является способ защиты сети с изолированной нейтралью, используемый в качестве прототипа [Патент РФ на изобретение №2121745; класс Н 02 Н 3/16; 10.11.98; Бюл. №31], в соответствии с которым соединяют фазу с наибольшим значением напряжения относительно земли с землей через первое сопротивление, одновременно соединяют фазу с наименьшим значением напряжения относительно земли с землей через второе сопротивление, измеряют ток утечки на землю, измеряют фазные напряжения и определяют сопротивление изоляции сети относительно земли, сравнивают его с допустимым значением и, если оно оказывается меньше допустимого, то формируют сигнал на отключение поврежденного элемента сети.

Известный способ имеет недостатки. Для него характерна запаздывающая реакция на возникновение повреждения, обусловленная конечным временем измерения и оценивания сопротивления изоляции. Это приводит к необходимости выполнения экстренных операций по локализации повреждений (отключений элементов электрической сети), что неизбежно создает нежелательные внезапные возмущения для энергосистемы и потребителей электрической энергии. Провести детальную диагностику повреждения, как правило, при этом невозможно из-за дефицита времени. Кроме того, известный способ не позволяет выявить потенциальные повреждения изоляции и остаточный ресурс изоляции.

Цель предлагаемого изобретения - повышение надежности работы защищаемой сети путем снижения уровня возмущающих воздействий, возникающих при экстренных отключениях поврежденных элементов электрической сети.

Поставленная цель достигается тем, что в известном способе, согласно которому соединяют фазу с наибольшим значением напряжения относительно земли с землей через первое сопротивление, одновременно соединяют фазу с наименьшим значением напряжения относительно земли с землей через второе сопротивление, измеряют ток утечки на землю, измеряют фазные напряжения и определяют сопротивление изоляции сети относительно земли, сравнивают его с допустимым значением, и если оно оказывается меньше допустимого, то формируют сигнал на отключение поврежденного элемента сети, дополнительно регистрируют значения сопротивления изоляции в определенные моменты времени, по ним определяют будущее значение сопротивления изоляции, сравнивают его с допустимым значением, и если оно оказывается меньше допустимого, то формируют информационный сигнал о приближении момента возможной аварии, причем каждое вновь зарегистрированное значение сопротивления изоляции используют при последующем вычислении будущего значения сопротивления изоляции и, кроме этого, дополнительно определяют остаточный ресурс изоляции.

Сопоставительный анализ технических решений показал, что заявляемый способ отличается от известного тем, что регистрируют значения сопротивления изоляции в определенные моменты времени, по ним определяют будущее значение сопротивления изоляции, сравнивают его с допустимым значением и, если оно оказывается меньше допустимого, то формируют информационный сигнал о приближении момента возможной аварии.

Благодаря этому достигается раннее обнаружение дефектов изоляции защищаемой электрической сети, что позволяет выиграть достаточный запас времени для детальной диагностики возможного повреждения и выработки ответных упреждающих мер, не требующих применения внезапных экстренных воздействий на защищаемую электрическую сеть. Непрерывный контроль изоляции с экстраполяцией и оцениванием будущих параметров изоляции позволяет реализовать защиту объекта с упреждающим действием. При этом не создается аварийная ситуация в электрической сети и локализация потенциального повреждения не сопровождается внезапными возмущениями энергосистемы. Элемент электрической сети с потенциальным повреждением может быть постепенно выведен из работы, а его функции возложены на другой элемент, обеспечивающий его полное или частичное резервирование. Таким образом, питание потребителей может быть обеспечено по резервным каналам и отключение поврежденного элемента электрической сети может быть для них незаметным.

Упреждающее действие защиты обеспечивается благодаря тому, что по измеренным и зарегистрированным в определенные моменты времени значениям сопротивления изоляции, путем экстраполирования определяется значение сопротивления изоляции для определенного момента времени в будущем (прогнозируется). Если это будущее значение сопротивления изоляции оказывается меньше предельно допустимого, то формируют предупредительный сигнал о приближении возможной аварии.

Точность экстраполяции может быть достаточно высокой за счет того, что после каждого измерения и регистрации значения сопротивления изоляции это значение используется для определения следующего будущего (прогнозируемого) значения на следующем шаге экстраполирования.

Кроме того, определяют остаточный ресурс изоляции, т.е. будущий интервал времени, в течение которого сопротивление изоляции остается в пределах допустимого. По известному остаточному ресурсу изоляции обслуживающий персонал может определить имеющийся запас времени для упреждающих действий и выбрать оптимальный в сложившейся ситуации план действий.

Таким образом, обслуживающий персонал имеет резерв времени для того, чтобы вывести из работы контролируемый защитой элемент электрической сети и обеспечить резервным питанием потребителей еще до возникновения замыкания, не прибегая к экстренным отключениям.

Свойства изоляции электрической сети в процессе эксплуатации под влиянием воздействий внешних и внутренних факторов, вызывающих необратимые физико-химические изменения, с течением времени ухудшаются. Изоляция стареет. Это приводит, как правило, к снижению ее сопротивления, которое используется в качестве наиболее информативного интегрального показателя состояния изоляции (который регламентируется нормативными документами). По одному этому параметру можно судить о работоспособности контролируемой сети в целом, а для детальной диагностики повреждения - использовать и другие параметры изоляции.

В процессе эксплуатации сопротивление изоляции изменяется в соответствии с некоторой функцией времени R_ИЗ(t). Значения этой функции измеряют непрерывно и регистрируют в определенные моменты времени. В результате имеются значения функции

R_ИЗ(t₀), R_ИЗ (t₁), R_ИЗ(t₂),..., R _ИЗ(t_n)

на временном интервале Т₁ от момента начала регистрации значений сопротивления изоляции (t₀) до момента регистрации последнего известного значения сопротивления изоляции (t_n). По известным значениям функции R_ИЗ(t), используя методы экстраполяции, определяют значение функции R_ИЗ(t) в будущий момент времени (t_n+1).

При большом разбросе зарегистрированных значений сопротивления изоляции для восстановления действительной функции времени в области известных значений используют методы интерполирования. Например, строят сглаженную характеристику R_ИЗ(t).

Идеальным случаем интерполирования является адекватное описание функции R_ИЗ(t) каким-либо аналитическим выражением. Но ввиду сложности нахождения таких выражений по дискретным значениям функции целесообразно применить универсальную структуру аналитического выражения.

В общем случае на интервале Т₁ (в области известных значений) функцию R_ИЗ (t) можно представить многочленом вида [3]:

где a_j - постоянные коэффициенты; f_j - известные простейшие функции, например: f₀(t)=1; f₁(t)=t; f₂(t)=t² и т.п.

Тогда базовый полином можно представить так:

R_ИЗ (t)=a₀+a₁t+a₂t² +....

Например, в результате измерения сопротивления изоляции в моменты времени t_n-1 и t_n получены соответствующие значения сопротивления изоляции R_ИЗ(n-1) и R_ИЗ(n) . Отношение

(R_ИЗ(n)-R_ИЗ(n-1) )/(t_n-t_n-1)=a₁

есть средняя скорость изменения сопротивления изоляции на интервале времени от t_n-1 до t_n. В этом интервале

R _ИЗ(t)=R_ИЗ(n-1)+a₁t.

Если предположить, что на следующем интервале времени (будущем) скорость изменения сопротивления изоляции останется неизменной, то можно определить будущее значение сопротивления изоляции через временной интервал T₂=t_n+1-t_n:

R _ИЗ(n+1)=R_ИЗ(n)+a₁(t_n+1 -t_n).

Здесь R_ИЗ(n) - последнее из зарегистрированных значение сопротивления изоляции в момент t _n; R_ИЗ(n+1) - будущее (прогнозируемое) значение сопротивления изоляции в момент t_n+1.

Остаточный ресурс изоляции (t_ОР) определяют как интервал времени, в течение которого значение сопротивления изоляции достигает предельно допустимого:

t_ОР=(R _ИЗДОП-R_ИЗ(n))/a₁.

Здесь R _ИЗДОП - допустимое значение сопротивления изоляции.

Для выполнения более точного прогнозирования сопротивления изоляции следует воспользоваться более точной аппроксимирующей функцией R_ИЗ(t) в области известных и прогнозируемых значений сопротивления изоляции, учитывающей большее число зарегистрированных значений и большую продолжительность наблюдений. Кроме этого, чем меньше отношение интервала прогнозирования и интервала известных значений (Т₂/Т₁), тем выше точность прогноза. С целью повышения точности прогнозирования могут быть использованы экстраполяционные полиномы Лагранжа, Ньютона или математический аппарат регрессионного анализа [Бронштейн И.Н., Семендяев К.А. Справочник по математике для инженеров и учащихся втузов. - М.: Наука, 1980, 976 с.].

На фиг.1 показана кривая, изображающая изменение сопротивления изоляции электрической сети в процессе эксплуатации; на фиг.2 показана графическая интерпретация аналитического прогнозирования сопротивления изоляции с использованием линейной функции R_ИЗ(n+1)=R_ИЗ(n)+a₁(t _n+1-t_n) и определения остаточного ресурса изоляции; на фиг.3 показана функциональная схема устройства защиты сети с изолированной нейтралью от однофазных замыканий на землю, в котором реализован заявляемый способ.

Схема устройства, в котором реализован заявляемый способ (фиг.3), содержит: защищаемую трехфазную сеть 1 с изолированной нейтралью; эквивалентное сопротивление изоляции 2 сети относительно земли (приведенное к нейтральной точке сети); коммутатор 3, три входа которого подключены к трем фазам защищаемой сети; датчик 4 фазных э.д.с. защищаемой сети, три входа которого подключены к трем фазам защищаемой сети; первое ограничительное сопротивление 5, подключенное первым выводом к первому выходу коммутатора; второе ограничительное сопротивление 6, подключенное первым выводом ко второму выходу коммутатора, а вторым выводом - ко второму выводу первого ограничительного сопротивления; шунт 7, первым выводом подключенный к объединенным вторым выводам ограничительных сопротивлений 5 и 6, а вторым выводом подключенный к земле; блок 8 определения эквивалентного активного сопротивления изоляции, первый вход которого соединен с первым выводом шунта, а второй вход соединен с выходом датчика фазных э.д.с. сети; компаратор 9, первый вход которого подключен к выходу блока 8 определения сопротивления изоляции, а на второй вход в определенном масштабе подается предельно допустимое значение сопротивления изоляции; регистратор 10, первый вход которого подключен к выходу блока 8 определения сопротивления изоляции; экстраполятор 11, первый вход которого соединен с выходом регистратора 10; компаратор 12, первый вход которого соединен с выходом экстраполятора 11, а на второй вход в определенном масштабе подается предельно допустимое значение сопротивления изоляции; блок 13 определения остаточного ресурса изоляции, первый вход которого подключен к выходу экстраполятора 11, а на третий вход в определенном масштабе подается предельно допустимое значение сопротивления изоляции; таймер 14, выход которого соединен со вторыми входами регистратора 10, экстраполятора 11, блока 13 вычисления остаточного ресурса изоляции.

Устройство, в котором реализуется предлагаемый способ защиты сети, работает следующим образом (фиг.3). С помощью коммутатора 3 одновременно выбираются фазы электрической сети 1 с наибольшим и наименьшим напряжением относительно земли и соединяются с землей через отдельные ограничительные сопротивления 5 и 6. Измеряется сумма токов утечки на землю в этих сопротивлениях с помощью шунта 7 (падение напряжения на шунте используется как полезный сигнал). Измеряются фазные напряжения сети с помощью датчика 4 фазных э.д.с. сети. По отношению интегральных значений этих величин в блоке 8 определяется эквивалентное сопротивление изоляции сети относительно земли. В блоке 9 сопротивление изоляции (в виде соответствующего сигнала), полученное на выходе блока 8, сравнивают с предельно допустимым значением. Если сопротивление изоляции становится меньше допустимого, то формируют соответствующие управляющий и информационный сигналы. Кроме этого, значения сопротивления фиксируются регистратором 10 и передаются в экстраполятор 11. По известным значениям сопротивления изоляции экстраполятором 11 восстанавливается функция R_ИЗ(t) на интервале известных значений Т₁ и определяется будущее значение сопротивления изоляции на интервале прогнозирования Т₂. Полученные расчетным путем будущие значения сопротивления изоляции в компараторе 12 сравниваются с предельно допустимым значением сопротивления изоляции. Если будущее сопротивление изоляции становится меньше допустимого, то формируют соответствующий сигнал предупреждения о приближении возможной аварии. В блоке 13 по полученным в блоке 11 будущим значениям сопротивления изоляции и по допустимому сопротивлению изоляции определяют остаточный ресурс изоляции. Таймер 14 вырабатывает сигналы, необходимые для управления работой регистратора, экстраполятора и блока определения остаточного ресурса изоляции.

Применение предлагаемого способа защиты позволяет существенно расширить функциональные возможности технических средств, выявляющих однофазные замыкания на землю в сети с изолированной нейтралью. Этот способ дает возможность на основе непрерывного текущего контроля изоляции сети без зон нечувствительности предупреждать о приближении возможной аварии, оценивать остаточный ресурс изоляции сети и по нему определять имеющийся запас времени на выполнение действий по локализации потенциального повреждения. Благодаря этим новым свойствам снижается вероятность внезапных вынужденных отключений защищаемой сети, создающих опасные возмущения в энергосистемах, снижаются ремонтно-эксплуатационные расходы, повышается надежность работы сети в целом, повышается надежность электроснабжения потребителей и снижается вероятность возникновения аварий с катастрофическими последствиями.