Пристрій для захисту вимірювального трансформатора напруги від пошкодження при ферорезонансних процесах в мережі з ізольованою нейтраллю

Изобретение относится к области высоковольтных электрических сетей, в частности к распределительным электрическим сетям 6-35 кВ, работающим с изолированной нейтралью, и предназначено для автоматической защиты 01 токовых перегрузок трансформаторов напряжения при дуговы х замыканиях на землю и феррорезонансных процессах. Известно защитное устройство, в котором первая вторичная обмотка трансформатора напряжения, соединенная в разомкнутый треугольник, замыкается на активное сопротивление [1]. Это техническое решение не обеспечивает необходимой эффективности гашения феррорезонансного процесса, а следовательно, не способствует снижению повреждаемости трансформаторов напряжения с последующим повреждением изоляции другого электротехнического оборудования, особенно обмоток статоров электродвигателей. Наиболее близким по технической сущности и достигаемому решению является устройство для защиты трансформатора напряжения контроля изоляции от повреждения при феррорезонансных процессах в сети с изолированной нейтралью [2], принятое нами за прототип и содержащее блок преобразования синусоидального напряжения в напряжение прямоугольной формы, входы которого имеют клеммы для подключения к первой вторичной обмотке трансформатора напряжения, соединенной в разомкнутый треугольник, а к выходам подключена упомянутая цепь из последовательно соединенных нелинейного реактора и резистора. Основным недостатком устройства являются его недостаточная надежность ввиду отсутствия должной эффективности ограничения феррорезонанса резисторами в разомкнутом треугольнике вторичной обмотки, невозможности ограничения перенапряжений при перемещающихся дуга х однофазных замыканий на землю, вероятность возникновения смещений нейтрали со значительным увеличением фазных перенапряжений и возникновением низкочастотных (субгармонических) колебаний в контуре, приводящих к возрастанию токов в первичных обмотках трансформатора напряжения. В основу изобретения поставлена задача усовершенствовать устройство для защиты измерительного трансформатора напряжения от повреждения при феррорезонансных процессах в сети с изолированной нейтралью, в котором благодаря введению новых элементов и связей обеспечивается своевременное ограничение перенапряжений перемещающейся дуги однофазного замыкания на землю и таким образом исключается возникновение смещений нейтрали и низкочастотных колебаний, что повышает надежность устройства. Поставленная задача решается тем, что в устройство для защиты измерительного трансформатора напряжения от повреждения при феррорезонансных процессах в сети с изолированной нейтралью, содержащее резистор с выводами для подключения к первой вторичной обмотке защищаемого трансформатора, соединенной в разомкнутый треугольник, и цепь из последовательно соединенных второго резистора и однофазного коммутационного аппарата, подключенную параллельно первому резистору, согласно изобретению дополнительно введены двухполупериодный выпрямитель, входы которого подключены параллельно второму резистору, точка соединения которого с первым резистором имеет вывод для подключения к контуру заземления, конденсатор, подключенный к выходам двухполупериодного выпрямителя, трехфазный коммутационный аппарат, первые выводы которого предназначены для подключения к выводам второй вторичной обмотки защищаемого трансформатора, соединенной в звезду, вторые выводы подключены к трехфазной регулируемой резисторной нагрузке, соединенной в звезду, нейтраль которой имеет вывод для подключения к нейтрали' второй вторичной обмотки защищаемого трансформатора и к контуру заземления, первая цепь управления, включающая трансформатор тока, первичная обмотка которого предназначена для включения в заземленную нейтраль первичной обмотки защищаемого трансформатора, и последовательно включенные в цепь вторичной обмотки трансформатора тока токовый частичный фильтр, пороговый элемент, первое промежуточное реле и блок включения однофазного коммутационного аппарата, при этом параллельно токовому частотному фильтр у и пороговому элементу включено реле тока, вторая цепь управления, содержащая частотный фильтр реле напряжения, подключенный параллельно первому резистору, и последовательно подсоединенные к выходу указанного фильтра-реле, первое реле времени, второе промежуточное реле и блок включения трехфазного коммутационного аппарата, при этом параллельно частотному фильтру-реле напряжения подключено реле напряжения, выход которого соединен с входом первого реле времени, между выходом реле тока и входом второго промежуточного реле включено второе реле времени. В устройстве обеспечивается комплексное взаимодействие между низкочастотными и высокочастотными составляющими токов и напряжений в обмотках трансформатора напряжения при перемежающихся дуга х, феррорезонансных, резонансных и колебательных процессах, а также, функциональные и взаимосвязанные подключения, нагрузок в его вторичных обмотках, благодаря чему выявляются и гасятся феррорезонансные процессы практически в начальной Стадии их развития. На чертеже представлена электрическая схема предлагаемого устройства. Первичная обмотка 1 трансформатора напряжения соединена по схеме звезды с выведенной нейтралью 2, имеющей глухое заземление 3 через первичную обмотку трансформатора тока 4 и подсоединена непосредственно к питающей секции 5. Его низковольтная обмотка 6 соединена по схеме звезды с выведенным нулевым проводом 7, к линейным выводам которой через нормально отключенный трехфазный коммутационный аппарат 8 подсоединена трехфазная резисторная нагрузка с регулируемыми резисторами 9 в фазах, соединенная по схеме звезды с выведенной нейтралью 10, имеющей заземление 11, причем между нейтралями второй вторичной обмотки и трехфазной нагрузкой имеется непосредственная электрическая связь 12. Его первая вторичная обмотка 13 соединена по схеме разомкнутого треугольника, между выводами которой подсоединены непосредственно и параллельно между собой первый резистор 14 и электрическая цепь, состоящая из последовательно соединенных однофазного коммутационного аппарата 15 и второго резистора 16, причем параллельно второму резистору подсоединен двухполупериодный выпрямитель 17. к выводам выпрямленного тока которого подсоединен конденсатор 18, причем вывод первой вторичной обмотки со стороны непосредственного подсоединения обоих резисторов имеет заземление 19. Ко вторичным цепям трансформатора тока подключена первая цепь управления, содержащая последовательно соединенные токовый частотный фильтр 20, пороговый элемент 21, первое промежуточное реле 22 и блок включения 23, однофазного коммутационного аппарата между выводами первой вторичной обмотки, причем параллельно частотному фильтру и пороговому элементу подсоединено в цепь управления реле тока 24. Вторая цепь управления содержит частотный фильтр-реле напряжения 25 между выводами первой вторичной, обмотки, к которому подсоединены последовательно первое реле времени 26, второе промежуточное реле 27 и блок включения28 трехфазного коммутационного аппарата между выводами первой вторичной обмотки и трехфазной резисторной нагрузки, причем параллельно частотному фильтруреле напряжения подсоединено в цепь управления реле напряжения 29, а между выводом реле тока 24 первой цепи и вводом второго промежуточного реле 27 второй цепи управления подсоединено второе реле времени 30. В нормальном режиме работы электрических сетей однофазный коммутационный аппарат 15 отключен, ток феррорезонансного процесса - lф в нейтрали 2 первичной обмотки 1 трансформатора напряжения, подсоединенного к питающей секции 5, Отсутствуе т, а следовательно, тока во вторичных цепях трансформатора тока 4 нет и первая цепь управления, содержащая токовый частотный фильтр 20, пороговый элемент 21, реле тока 24, первое промежуточное реле 22 и блок включения 23, не функционируют. Отключен и коммутационный аппарат 8 в связи с тем, что между выводами разомкнутого треугольника первой вторичной обмотки 13 отсутствует напряжение - 3Uo, а следовательно, и вторая цепь управления, содержащая частотный фильтр-реле напряжения 25, реле напряжения 29, первое реле времени 26, второе промежуточное реле27 и блок включения 28, не функционируют тоже. Однако глухое заземление 3 нейтрали 2 первичной обмотки 1, совместное заземление 11 нулевого провода 7 второй вторичной обмотки 6 через непосредственную электрическую связь 12 и выведенной нейтрали 10 трехфазной резисторной нагрузки с регулируемыми резисторами 9, а также непосредственное заземление 19 вывода первой вторичной обмотки 13 со стороны непосредственного подсоединения обоих резисторов 14 и 16 уже обеспечивают превышение эффективности постоянно подсоединенного первого резистора 14 в части определенного замедления развития перенапряжений перемежающейся дуги и феррорезонансных процессов в начальный момент их возникновения, до начала функционирования всех элементов защитного устройства. Более того, непосредственное включение первичной обмотки трансформатора тока 4 о цепь между нейтралью 2 и заземлением 3 первичной обмотки 1, а также непосредственное подсоединение между выводами первой вторичной обмотки 13 частотного фильтра-реле напряжения 25 и реле напряжения 29 обеспечивают эффективн ую работу защитного устройства буквально в начальный момент времени при повреждении фазной изоляции электрооборудования в сетях. При возникновении перенапряжений перемежающейся дуги однофазных замыканий на землю возрастает магнитный поток в магнитопроводах трансформаторов напряжения, а следовательно, уже в начальной стадии увеличения магнитного потока появляется. хотя и незначительный по величине, ток начального периода развития ферроре-зонансного процесса - 1ф при колебаниях и переходных процессах в первичной обмотке трансформатора тока 4. приводящий в действие ііервую цепь управления. Токовый частотный фильтр 20 срабатывает в результате того, что при феррорезонансе в первичных обмотках 1, а следовательно, и по электрической связи между нейтралью 2 и глухим заземлением 3 через первичную обмотку трансформатора тока 4 протекает и ток седьмой гармоники, выявленный экспериментальным путем, величина которого по сравнению с током нормального режима возрастает с 0.7 до 30% от результирующей величины тока. Поэтому весьма успешно срабатывает пороговый элемент 21, приводящий к срабатыванию первого промежуточного реле 22 и блока включения 23. обеспечивающего включение коммутационного аппарата 15, подключающего между выводами первой вторичной обмотки 13 цепь, состоящую из параллельно соединенных второго резистора 16 и двухполупериод-ного выпрямителя 17 с подсоединенным к его выводам выпрямленного тока конденсатора 18. Еще необходимо дополнить, что при возникновении феррорезонанса с субгармоническими колебаниями порядка 25 или 50 Гц срабатывает обычное реле тока 24, шунтирующее токовый частотный фильтр 20 и пороговый элемент 21, чем обеспечивается вышеуказанная работа первой цепи управления. В начальный момент времени сопротивление - Хс конденсатора 18 практически равно нулю, чем обеспечивается весьма эффективное и безопасное кратковременное шунтмрование первого резистора 14, приводящее к срыву колебательного и переходного процессов, предшествующи х начальной стадии развития феррорезонанс-ного процесса. По мере зарядки конденсатора 18 его сопротивление возрастает до величин, обеспечивающих фактически протекание большой величины тока через второй резистор 16. а следовательно, обеспечивается протекание результирующего тока между выводами первой вторичной обмотки 13 по двум, параллельно подсоединенным, резисторам 14 и 16 непосредственно в земле через заземление 19, что дает возможность исключить повторное возникновение колебательных и переходных процессов в обмотках 1 трансформатора напряжения, а следовательно, и между фазами питающей секции 5 и землей. Наличие заземления 19 в этот момент способствует повышению эффективности стабилизации электромагнитных процессов, предшествующих феррорезонансным процессам. При уменьшении величины тока - 1ф ниже уровня срабатывания порогового элемента 21 схема защитного устройства возвращается в исходное состояние. Однако при недостаточной эффективности работы первой цели управления защитного устройства и сохранении возникшего напряжения нулевой последовательности -ЗГо между выводами первой вторичной обмотки 13, зашунтированными параллельно подсоединенными резисторами 14 и 16. срабатывает частотный фильтр - реле напряжения 25. приводящий к срабатыванию первого реле времени 26, второго промежуточного реле 27 и блока включения 28 трехфазного коммутационного аппарата 8. подсоединяющего к фазным выводам второй первичной обмотки 6 резисторную нагрузку с регулируемыми резисторами 9 в фазах, соединенных в звезду с выведенной нейтралью 10, которая заземлена с помощью заземления 11. Нулевой провод 7 соединен непосредственно с нейтралью 10 при помощи электрической связи 12. Эффективное срабатывание частотного фильтра-реле напряжения 25 обеспечивается тем. что в напряжении - 3Uo преобладает третья гармоника, которая в нормальном режиме работы электрических сетей составляет не более 0.7 процента, а в режимах переходного процесса и начальной стадии развития феррорезонанса не менее 28 процентов от результирующей величины напряжения. что тоже выявлено экспериментальным путем. Относительно наличия первого реле времени 26 необходимо отметить то, что оно введено во вторую цепь управления в связи с необходимостью отстройки от времени отключения токов короткого замыкания, возникающих в местах всей электрически связанной сети. Подключением к фазам второй первичной обмотки 6 регулируемых резисторов 9 обеспечивается аффективное шунтирование тока намагничивания - i m в магнитопроводе трансформатора напряжения, а следовательно снижение магнитного потока, в крайнем случае стабилизации его величины, исключающих, как минимум, развитие фер-рорезонансного процесса до уровня опасных величин токов перенапряжений, а то и обеспечивающих его полное гашение в начальной стадии развития. Более того, совместная электрическая связь 12 между нейтралью 10 и нулевым проводом 7, а также их заземление через заземлитель 11 стабилизирует весьма эффективно шун тировку тока намагничивания im , При возникновении аварийных процессов с преобладающим наличием в напряжении - 3Uo субгармонических составляющих частотой 25 или 50 Гц срабатывает реле напряжения 29 с последующей работой вышеуказанных элементов второй цепи управления. В заключение описания эффективности работы защитного устройства необходимо отметить случаи развития аварийных режимов в циклично-каскадной последовательности по причине комбинированного воздействия перенапряжений перемежающейся дуги замыкания на землю, резонансного и феррорезонансного процессов с наложением на них как низкочастотных, так и высокочастотных колебаний, приводящих к смещению нейтрали сети и так называемому явлению "опрокидывания фаз" с возникновением, в конечном результате, весьма опасных для изоляции всего электротехнического оборудования не только фазных, но и линейных перенапряжений. Однако наличие второго реле времени 30, подсоединенного между выводами реле тока 24 первой цепи и вводом второго промежуточного реле 27 второй цепи управления, и незначительно отстроенной в сторону увеличения его временной установки по сравнению с установкой первого реле времени 26 обеспечивает включение коммутационного аппарата 8 через второе промежуточное реле 27 и блок включения 28, чем гасится сложный переходный процесс в самой начальной стадии развития, а это, в свою очередь, полностью исключает наличие колебательных процессов на питающей секции 5 после отключения повредившегося участка сети, приводящих в настоящее время во многих случаях к повреждениям изоляции в ячейках КРУ и их возгораниям, приводящим к большим экономическим убыткам. Таким образом, применение предложенного устройства полностью обеспечивает возможность своевременного выявления гашения феррорезонансных процессов практически в начальной стадии его развития на основании функционального взаимодействия между элементами, воздействующими на своевременное и эффективное гашение феррорезонансных токов и внутренних перенапряжений. Благодаря предложенному защитному устройству практически полностью обеспечивается безаварийная работа измерительных трансформаторов, разрядников, коммутационных аппаратов и надежное срабатывание устройств релейной защиты.