Узел блокировки срабатывания направленных защит от замыканий на землю при феррорезонансных процессах

Сафарбаков А. А., êàíä. òåõí. íàóê, Олейник С. И., èíæ.

Павлодарский государственный университет

В результате многолетнего осциллографирова­ ния в сетях 6 – 10 кВ с током замыкания на землю до 10 А и сбора статистических данных были зарегистрированы как одиночные, так и групповые ложные срабатывания направленных защит от однофазных замыканий на землю (ОЗЗ) типа ЗЗП-1М [1]. Анализ осциллограмм показал, что в большинстве случаев причиной ложной работы защит яв­ ляются феррорезонансные колебательные процессы, возникающие после селективного отключения ОЗЗ защитой поврежденного присоединения. Час­ тота этих колебаний зависит от параметров сети, а также от количества и типа установленных измерительных трансформаторов напряжения. При этом установлено (доклад Сафарбакова А. А. “Влияние феррорезонансных процессов на работу защит от замыканий на землю” на конференции “Наука и новая технология в электроэнергетике Павлодар-Экибастузского региона”, Алматы, 1994 г.), что ложная работа защит обусловливается токами нулевой последовательности, проходящи­ ми через точки соединения с землей первичных обмоток трансформаторов напряжения. Значения этих токов при частоте колебаний 50 Гц и выше крайне несущественны и не способны вызывать срабатывание защит. Резкое увеличение токов ну­ левой последовательности происходит при феррорезонансных процессах, содержащих составляю­ щие 25 Гц и ниже, сопровождающиеся насыщением трансформаторов напряжения. При соблюде­ нии антирезонансных мероприятий (таких, как установка сопротивления 25 Ом в разомкнутый треугольник трансформаторов напряжения типа НТМИ и ЗНОМ) длительность таких колебаний составляет 0,2 – 0,4 с с последовательным сниже-

U0

1,7 A

I0

Контакт защиты ЗЗП-1М

Рис. 1. Ток и напряжение нулевой последовательности на присоединении с трансформатором напряжения НАМИ-10 после отключения однофазного замыкания на землю

нием частоты по мере затухания. Это оказывается достаточным для ложного срабатывания защит неповрежденных присоединений. Необходимо также отметить, что при снижении частоты тока и напря­ жения нулевой последовательности время срабатывания большинства существующих защит со­ кращается. В результате, для ложного срабатывания иногда оказывается достаточно одной полуволны колебания с пониженной частотой. В сетях с трансформаторами напряжения типа НАМИ после отключения замыкания также возникают феррорезонансные процессы, которые имеют апериодиче­ ский характер. При этом в сеть генерируется зна- чительный ток нулевой последовательности, со­ держащий как промышленную, так и низкочастот­ ную составляющие. На ðèñ. 1 приведена экспери­ ментальная осциллограмма отключения ОЗЗ и ложного срабатывания защиты типа ЗЗП-1М, уста­ новленной на присоединении с трансформатором напряжения типа НАМИ.

Для исключения случаев ложной работы ранее было разработано реле, снабженное блокировкой срабатывания защиты при возникновении в сети феррорезонансных колебаний пониженной частоты [2]. Принцип работы блокировки заключается в измерении частоты напряжения нулевой последо­ вательности при помощи формирования из напря­ жения нулевой последовательности двух импуль­ сов: основного и разрешающего. Если частота рав­ на 50 Гц, то импульсы совпадают во времени, а если частота напряжения нулевой последователь­ ности снижается до уровня 25 Гц и ниже, то импульсы расходятся и реле блокируется.

Однако в процессе эксплуатации этих устройств были выявлены отдельные случаи отка­ за их срабатывания при замыкании в защищаемой зоне. Как было установлено, причиной отказов яв­ ляется ложная работа блокировки. Дело в том, что формирование основного и разрешающего импу­ льсов блокировки осуществлялось при помощи RC-цепей. Под воздействием временных и температурных факторов, а также вследствие несинусо­ идальности входных сигналов при перемежаю­ щихся дуговых замыканиях соотношения парамет­ ров RC-элементов указанных цепей изменяются. При этом основной и разрешающий импульсы расходятся, и при определенных условиях возмож­ на блокировка действия защиты при наличии ОЗЗ в зоне срабатывания.

Для повышения надежности срабатывания реле авторами предлагается схема блокировки, основанная на сравнении частоты напряжения ну­ левой последовательности и линейного напряже­ ния, которое не изменяется ни при однофазных замыканиях на землю, ни при феррорезонансных процессах. При замыканиях на землю длины полу­ волн указанных напряжений будут практически совпадать, а при феррорезонансных процессах, влияющих на работу защит, отличаться.

Структурная схема блокировки приведена на ðèñ. 2. Вход блокировки содержит два канала, один из которых состоит из выпрямителя 1 и уси­ лителя-ограничителя напряжения нулевой после­ довательности 2, другой – из выпрямителя 3 и уси­ лителя-ограничителя линейного напряжения 4. Усилители-ограничители этих каналов служат для преобразования входных сигналов в прямоугольные импульсы одной полярности, длительность которых равна длительности соответствующих по­ луволн входных напряжений. С выходов усилите­ лей-ограничителей обоих каналов прямоугольные импульсы поступают на вход блока переключения режимов счета 5, функция которого заключается в следующем. При поступлении первого положите­ льного фронта прямоугольных импульсов по кана­ лу напряжения нулевой последовательности он за­ пускает счет импульсов от высокочастотного гене­ ратора 6 реверсивным счетчиком 7. По отрицате­ льному фронту этого же прямоугольного импульса работа счетчика останавливается и полученная сумма сохраняется до прихода на второй вход бло­ ка переключения режимов счета ближайшего по­ ложительного фронта прямоугольных импульсов по каналу линейного напряжения. С этого момента запускается счет импульсов на вычитание показа­ ний счетчика до прихода отрицательного фронта импульса. Затем показания счетчика фиксируются и подаются на вход блока формирования разрешающего сигнала 8, а блок переключения режимов счета устанавливается в режим ожидания следую­ щего ближайшего положительного фронта импу­ льса по каналу напряжения нулевой последовате­ льности, обнулив показание счетчика. Если зафик­ сированное показание счетчика мало, значит час­ тота линейного напряжения практически равна ча­ стоте напряжения нулевой последовательности.

U2

U8

Момент отключения ОЗЗ

Рис. 3. Время-импульсная диаграмма

При увеличении длительности полуволны напря­ жения нулевой последовательности показания счетчика резко увеличиваются.

Таким образом, реверсивный счетчик импуль­ сов используется в качестве измерительного орга­ на, реагирующего на снижение частоты напряже­ ния нулевой последовательности. Если частота на­ пряжения нулевой последовательности лежит в диапазоне от 40 до 60 Гц, то на выходе блока фор­ мирования разрешающего сигнала появляется им­ пульс. Длительность последнего определяется наименьшим временем срабатывания измеритель­ ной части защиты для исключения ложного срабатывания после отключения замыкания на землю. При одновременном поступлении разрешающего сигнала и сигнала от измерительной части защиты на выходе схемы И 9 появляется сигнал, обеспечи­ вающий срабатывание исполнительного органа защиты. Для сохранения выходного сигнала на выходе схемы И при исчезновении разрешающего импульса с выхода блока 8 и существовании сиг­ нала от измерительной части защиты выполнена обратная связь от выходного сигнала.

Работу блокировки поясняет время-импуль­ сная диаграмма (ðèñ. 3). При возникновении замыкания длительность первого полупериода напря­ жения нулевой последовательности не равна дли­ тельности полупериода линейного напряжения, поэтому после первого измерения показания счет­ чика разрешающий сигнал на выходе блока 8 не появляется. После второго и третьего измерений во время замыкания разрешающие сигналы появ­ ляются, так как частоты измеряемых напряжений практически равны. После отключения ОЗЗ длите­ льность полупериодов напряжения нулевой после­ довательности начинает увеличиваться и блоки­ ровка больше не выдает разрешающие сигналы на срабатывание защиты.

Предлагаемая схема блокировки обладает сле­ дующими преимуществами:

температурной стабильностью, поскольку не­ существенное изменение параметров элементов генератора тактовых импульсов не влечет за собой ложной работы блокировки, так как счетчиком производится дифференцирование числа импуль­ сов измененной частоты;

некритичностью к несинусоидальности входных сигналов при перемежающихся дуговых замыканиях;

изменение соотношений параметров схемы блокировки с течением времени не влияет на ее работу;

блокировка разработана и может быть выполнена в виде отдельного модульного блока, что по­ зволяет использовать ее как дополнение к направленным защитам от замыканий на землю, которые уже находятся в эксплуатации.

Принцип действия устройства защищен патен­ том Республики Казахстан [3].

Предложенная схема блокировки реализована на микросхемах серии 561, которые отличаются повышенной помехоустойчивостью. Блокировка прошла успешные лабораторные испытания и в настоящее время проходит опытные испытания на производстве.

Выводы

1. Разработанная блокировка имеет темпера­ турную и временную стабильность и надежно ра­

ботает при перемежающихся дуговых замыканиях. 2. Применение разработанной блокировки по-

высит надежность срабатывания зашит от замыканий на землю, что приведет к повышению без­ опасности производства, снижению уровня разрушений в месте замыкания и понижению уровня перенапряжений в поврежденной сети.

Список литературы

1.Серов В. И., Шуцкий В. И., Ягудаев Б. М. Методы и средст­ ва борьбы с замыканиями на землю в высоковольтных сис­ темах горных предприятий. М.: Наука, 1985.

2.Богдан А. В., Калмыков В. В. Направленная защита повышенной селективности при замыканиях на землю в сети с изолированной нейтралью. Изв. вузов. Электромеханика, 1993, ¹ 4.

3.Ïàò. 6924 H 02 H 3 / 16 (Республика Казахстан). Устройст­ во защиты от замыкананий на землю в сети с изолирован­ ной нейтралью / Сафарбаков А. А., Олейник С. И.