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, 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 определяют остаточный ресурс изоляции, отличающийся тем, что дополнительно при расчетах будущих значений сопротивления учитывают конфигурацию контролируемой сети в момент регистрации текущего значения сопротивления и ведут наблюдение за тепловой перегрузкой изоляции.

2. Способ защиты по п.1, отличающийся тем, что конфигурацию контролируемой сети определяют по состоянию контактов коммутационных аппаратов.

3. Способ защиты по п.1, отличающийся тем, что степень тепловой перегрузки изоляции на интервалах времени между отдельными моментами регистрации значений сопротивления используют для определения остаточного ресурса изоляции на основе закона теплового старения изоляции.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к электротехнике, а именно к релейной защите электрических систем, 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 [1]. 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 зашиты сети с изолированной нейтралью, используемый в качестве прототипа [2], 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, дополнительно регистрируют значения сопротивления изоляции в определенные моменты времени, по ним при помощи методов интерполяции и экстраполяции строят кривую R_ИЗ(t) зависимости сопротивления изоляции от времени работы, по которой 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.

Известный способ имеет недостатки. В процессе работы к сети могут подключаться или отключаться отдельные участки или элементы (кабельные линии, обмотки трансформаторов или электродвигателей и т.п.), при этом эквивалентное сопротивление изоляции сети также изменяется, и защита, выполненная по способу-прототипу, может работать неселективно. Те же причины могут вызывать ошибки при прогнозировании, т.к. устройство защиты может ошибочно принять изменение сопротивления, вызванное изменением конфигурации сети, за изменение свойств изоляции. В условиях, когда процессы старения в изоляции не будут вызывать значительного снижения ее сопротивления, известный способ не обеспечит достаточную чувствительность. Эта проблема особенно актуальна, если изоляция подвержена перегрузкам, наиболее распространенными являются тепловые перегрузки, вызванные протеканием токов, превышающих номинальные значения для оборудования сети.

Цель предлагаемого изобретения - повышение надежности работы защищаемой сети за счет повышения чувствительности и селективности защиты.

Предлагается 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, 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 определяют остаточный ресурс изоляции, при расчетах будущих значений сопротивления учитывают конфигурацию контролируемой сети в момент регистрации текущего значения сопротивления, определяемую по состоянию контактов коммутационных аппаратов присоединений, и ведут наблюдение за тепловой перегрузкой изоляции, данные о которой используют для определения остаточного ресурса изоляции на основе закона теплового старения изоляции.

Сопоставительный анализ технических решений показал, что заявляемый способ отличается от известного тем, что определяется конфигурация контролируемой сети, которая должна учитываться при построении кривой изменения сопротивления и формировании прогноза, и ведется наблюдение за тепловой перегрузкой изоляции.

Благодаря этому учитываются изменения сопротивления изоляции, вызванные не изменением состояния изоляции, а изменением конфигурации защищаемого участка, это позволит обеспечить селективную работу защиты в условиях изменения конфигурации сети. На основе закона теплового старения при измерении и регистрации тепловой перегрузки изоляции корректируется прогноз остаточного ресурса изоляции.

Таким образом, обслуживающий персонал получает обоснованный прогноз об изменении сопротивления изоляции и остаточного ресурса изоляции.

Свойства изоляции электрической сети в процессе эксплуатации под влиянием воздействий внешних и внутренних факторов, вызывающих необратимые физико-химические изменения, с течением времени ухудшаются. Основной причиной этих процессов в неагрессивных средах считаются тепловое и электрическое воздействие. Электрическое воздействие обусловлено частичными разрядами, уровень которых при проектировании задается таким, чтобы не значительно влиять на свойства изоляции в течение гарантийного срока службы [3]. 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.

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). При этом требуется отдельно рассматривать значения сопротивления изоляции, измеренные при конфигурации защищаемой сети, отличной от базовой, так как изменение конфигурации сети автоматически ведет к изменению величины сопротивления изоляции, что вносит ошибки в определение коэффициентов аппроксимирующей функции, а, следовательно, в прогноз состояния изоляции и остаточного ресурса. На фиг.1 показано влияние учета конфигурации сети на аппроксимирующую функцию: кривая R_ИЗ(t) показывает вид кривой изменения сопротивления, построенной на основе способа прототипа по значениям сопротивления; измеренным до изменения конфигурации сети, в момент времени t _n к защищаемой сети подключается элемент с сопротивлением изоляции, примерно равным сопротивлению изоляции сети до этого момента, при этом эквивалентное сопротивление изоляции всей сети (с новым элементом) уменьшится и кривая изменения сопротивления, построенная на основе способа прототипа, не будет реально отражать будущее состояние сопротивления изоляции [кривая R _ИЗ2(t)], предлагаемый способ даст в этом случае более достоверный результат [кривая R_ИЗ3(t)] на основе данных о том, что изменение сопротивления изоляции вызвано изменением конфигурации сети.

Зависимость ресурса изоляции от температуры можно определить по выражению [4]:

L_t =k_t·ехр(B/T),

где L _t - ресурс изоляции,

k - постоянная,

В - постоянная, характеризующая материал изоляции, равная отношению энергии активации к постоянной Больцмана,

Т - абсолютная температура изоляции.

Независимые постоянные можно определить из номинальных параметров защищаемого элемента. Например, для кабеля заводом-изготовителем определяется гарантийный срок службы при заданных параметрах окружающей среды и нагрузки (а, следовательно, и при определенных температурных условиях). Так же регламентируется максимальная температура нагрева кабеля, допускающая его дальнейшую эксплуатацию.

Если задан ресурс изоляции L_o при какой-то температуре Т₀, то

k _t=L_o·ехр(-B/T _o),

тогда при температуре Т₁ ресурс изоляции L₁ можно найти по выражению

Отслеживая температуру изоляции и время действия этой температуры можно построить тепловую кривую жизни наблюдаемой изоляции, по которой можно определить время до момента, когда изоляция выработает свой ресурс.

Схема устройства, в котором реализован заявляемый способ (фиг.2), содержит: защищаемую трехфазную сеть с изолированной нейтралью 1; эквивалентное сопротивление изоляции сети относительно земли 2 (приведенное к нейтральной точке сети); коммутационные аппараты 3, блок определения эквивалентного сопротивления изоляции 4; датчик фазных токов 5; блок определения тепловых перегрузок 6, вход которого подключен к датчику фазных токов 5; блок отражения конфигурации сети 7, входы которого подключены к дополнительным контактам коммутационных аппаратов 3; регистратор 8, первый вход которого подключен к блоку определения сопротивления изоляции 4, второй к выходу блока определения конфигурации сети 7, а третий к выходу таймера 15; регистратор 9, первым входом подключенный к блоку определения тепловых перегрузок 6, а вторым к выходу таймера 15; компаратор 10, первый вход которого соединен с выходом блока определения эквивалентного сопротивления изоляции 4, а на второй вход в определенном масштабе подается предельно допустимое значение сопротивления изоляции; экстраполятор 11, первый вход которого соединен с выходом регистратора 8, а второй - к выходу таймера 15; блок построения тепловой кривой жизни изоляции 12, первый вход которого соединен с выходом регистратора 9, а второй - к выходу таймера 15; компаратор 13, первый вход которого соединен с выходом экстраполятора 11, а на второй вход в определенном масштабе подается предельно допустимое значение сопротивления изоляции; блок определения остаточного ресурса изоляции 14, первый вход которого подключен к выходу экстраполятора 11, на второй вход в определенном масштабе подается предельно допустимое значение сопротивления изоляции, третий вход подключен к выходу блока построения тепловой кривой жизни изоляции 12; таймер 15.

Устройство, в котором реализуется предлагаемый способ защиты сети, работает следующим образом. В блоке определения сопротивления изоляции 4 по алгоритму, описанному в способе-прототипе, определяется сопротивление изоляции сети. В компараторе 10 сопротивление изоляции (в виде соответствующего сигнала), полученное на выходе блока 4, сравнивается с предельно допустимым значением. Если сопротивление изоляции становится меньше допустимого, то формируются соответствующие управляющий и информационный сигналы. Кроме этого, значения сопротивления фиксируются регистратором 8 и передаются в экстраполятор 11. По известным значениям сопротивления изоляции экстраполятором 11 восстанавливается функция R _ИЗ(t) на интервале известных значений и определяется будущее значение сопротивления изоляции на интервале прогнозирования. Полученные расчетным путем будущие значения сопротивления изоляции в компараторе 13 сравниваются с предельно допустимым значением сопротивления изоляции. Если будущее сопротивление изоляции становится меньше допустимого, то формируют соответствующий сигнал предупреждения о приближении возможной аварии. Датчик фазных токов 5 преобразует информацию о фазных токах сети в информационный сигнал. В блоке определения тепловых перегрузок 6 по информации о токовой нагрузке и предварительной информации о тепловых параметрах изоляции и токоведущих частей определяется тепловая нагрузка изоляции. Параметры тепловых нагрузок фиксируются регистратором 9 и передаются в блок построения тепловой кривой жизни изоляции 12.

В блоке определения остаточного ресурса 14 по полученным в экстраполяторе 11 будущим значениям сопротивления изоляции, по допустимому сопротивлению изоляции и данным, определенным по тепловой кривой жизни, определяется остаточный ресурс изоляции. Таймер 15 служит для создания единого системного времени регистрации результатов измерений и проведения расчетов.

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 и ее тепловой нагрузки 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. В сравнении с прототипом, предлагаемый способ позволяет реализовать селективную защиту в условиях изменяемой конфигурации сети, более чувствительную к старению в изоляции, вызванному тепловыми процессами. 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.

Источники информации

1. Цапенко Е.Ф. Замыкания на землю в сетях 6-35 кВ. - М.: Энергоатомиздат, 1986, с.103-107.

2. Патент РФ на изобретение №2257653; МПК Н02Н 3/16; 27.07.05; Бюл. №21.

3. Дмитриевский В.С. Расчет и конструирование электрической изоляции: Учеб. пособие для вузов. - М.: Энергоиздат, 1981, 392 с., ил.

4. L. Simoni. A General Approach To The Endurance Of Electrical Insulation Under Temperature And Voltage / IEEE Transactions on Electrical Insulation Vol. E1-16 No.4, August 1981.