ФИКСАТОР НАПРАВЛЕНИЯ КОРОТКОГО ЗАМЫКАНИЯ Российский патент 2008 года по МПК G01R31/08 

Изобретение относится к области электроизмерительной техники и может быть использовано при определении направления короткого замыкания в распределительных сетях напряжением 6-35 кВ.

Фиксатор направления короткого замыкания может быть реализован согласно /1/ (прототип), функциональная схема которого приведена на фиг.1. Устройство работает следующим образом.

При наличии высоковольтного напряжения в линии передачи (фидере) 2 через высоковольтный конденсатор С 1 (используется емкость высоковольтного изолятора) и выходную цепь задающего генератора Г 4 заряжается накопительная емкость стабилизированного источника питания ИП 13. При междуфазном коротком замыкании за передающим устройством 14 (имеет внешнее конструктивное исполнение, аналогичное промышленно выпускающимся устройствам УПУ или УКЗ) магнитное поле тока короткого замыкания наводит электродвижущую силу в обмотке преобразователя тока ПТ 9, поступающую на вход порогового устройства ПУ 12, цепи питания которого подключены к выходу ИП 13. С выхода ПУ 12 сигнал поступает на управляющий вход логического элемента (ключа) И 6, который, открываясь, подключает выход ИП 13 к входам элемента задержки ЭЗ 10 и Г 4. Элемент ЭЗ 10 задает начало запуска Г 4 от момента возникновения тока короткого замыкания и выходное напряжение генератора через С1 поступает в линию передачи 2, по которой передается сигнал на высоковольтный конденсатор С 3 (используется изолятор, как и С 1) приемного устройства 16, установленного на подстанции. С выхода С 3 сигнал поступает на вход ограничителя 16, работающего в линейном режиме, а при наличии высоковольтного напряжения - в режиме ограничения (насыщения). При наличии высоковольтного напряжения в линии сигнал с выхода ограничителя 16, соответствующий логической 1, поступает на вход логического элемента НЕ 8, на выходе которого устанавливается сигнал логического 0, поступающий на вход элемента задержки ЭЗ 11. С выхода ЭЗ 11 сигнал логического 0 поступает на вход логического элемента И 7. При исчезновении в линии высоковольтного напряжения сигнал на выходе ограничителя 16 соответствует сигналу логического 0 и на выходе элемента НЕ 8 устанавливается сигнал логической 1, и начиная с этого момента с задержкой, определяемой интервалом времени отключения высоковольтного напряжения от начала короткого замыкания, происходит установление сигнала логической 1 на выходе ЭЗ 11 (ждущий мультивибратор), который приводит к открыванию И 7 за заданный промежуток времени, определяемый моментом срабатывания устройства АПВ. В случае, если отключение линии обусловлено коротким замыканием в отпайке за генератором, срабатывает передающее устройство 14 и сигнал заданной частоты проходит через резонансный фильтр РФ 5, что приводит к открыванию логического элемента И 7 и срабатыванию исполнительного элемента ИЭ 17.

В высоковольтной распределительной сети, имеющей древовидный характер, передающие устройства (с разными частотами генерации) устанавливаются на опорах ответвлений и срабатывает тот генератор, за которым произошло короткое замыкание и приемное устройство различает сработавший генератор по частоте. Как видно из принципа работы устройства, оно может иметь несколько генераторов и один приемник и очевидно, что для частотного разделения сигналов генераторов в приемнике необходимо наращивать параллельные каналы (аналогичные РФ 5, И 7, ИЭ 17), количество которых соответствуют числу передающих устройств.

Недостатком прототипа является низкий уровень выделяемого полезного сигнала между фазой и землей линии передачи 2, определяемый емкостным делителем выходного напряжения Г 4, состоящим из С 1 (100 пФ) и емкости фаза-земля линии (удельное сопротивление равно 0,005 мкФ/км = 5000 пФ/км). При общей протяженности линии 10 (50) км имеем емкость линии передачи 50000 (250000) пФ. Сигнал, выделяемый на фазе линии, практически подавляется в K=50000/100=500 (250000/100=2500) раз (независимо от частоты) и при выходном напряжении Г4, равном 1000 В, можно получить напряжение в линии 1000/500=2 (1000/2500=0,4) В. На самом деле из-за прямоугольной формы выходного напряжения Г 4 и разряда во времени при генерации сигнала емкости ИП 13 полученные значения напряжений необходимо снизить примерно в два раза. Указанные значения получены при испытаниях устройства, и при увеличении длины линии повышается уровень помех в ней, соизмеримый с полезным сигналом. Для увеличения уровня передаваемого в линию полезного сигнала необходимо повысить значение емкости С 1 и уровень выходного напряжения Г 4 и это приводит к усложнению и удорожанию устройства.

В экспериментальном образце прототипа использованы два генератора, настроенные на частоты 1000 и 2000 Гц (с снижением частоты, как известно, габариты генератора увеличиваются). При рассмотрении высоковольтной линии как длинной линии с распределенными параметрами имеет место зависимость сопротивления линии в точке подключения генератора от длины ее, и эта зависимость для разных частот неодинаковая. С этой точки зрения, как показывает анализ, при указанных частотах происходит подавление сигнала в линии в еще большей степени, чем приведенные выше значения (с повышением частоты уровень сигнала в линии снижается).

Целью изобретения является повышение надежности работы и упрощение устройства.

Поставленная цель достигается тем, что в известном фиксаторе направления короткого замыкания, включающем в себя подключенные к двум разным ответвлениям диагностируемой линии передачи два передающих устройства, каждое из которых содержит преобразователь тока, первый элемент задержки, логический элемент И и источник питания, подключенный своим выходом к первому входу логического элемента И, а также приемное устройство, содержащее ограничитель, логический элемент НЕ, первый элемент задержки, первый логический элемент И, первый исполнительный элемент, причем выход логического элемента НЕ подключен к входу первого элемента задержки, а выход первого логического элемента И подключен к входу первого исполнительного элемента, согласно предложенному изобретению в состав каждого из передающих устройств дополнительно введены второй элемент задержки (ждущий мультивибратор) и резистор, причем выход преобразователя тока подключен к входу первого элемента задержки, к выходу которого подключен вход второго элемента задержки, выход второго элемента задержки подсоединен к второму входу логического элемента И, входы источника питания и резистора подключены к выходу логического элемента И, а выход резистора подключен к соответствующему ответвлению диагностируемой линии передачи, в состав приемного устройства дополнительно введены резистор, фильтр низкой частоты, режекторный фильтр и второй и третий элементы задержки (ждущие мультивибраторы), второй логический элемент И и второй исполнительный элемент, причем вход резистора подключен к диагностируемой линии передачи, выход резистора подключен к входу ограничителя, выход которого подсоединен к входу фильтра низкой частоты; выход фильтра низкой частоты подключен к входу режекторного фильтра, выход которого подсоединен к первому входу первого логического элемента И и входу логического элемента НЕ, выход первого элемента задержки подключен к входу второго элемента задержки, выход которого подсоединен к второму входу первого логического элемента И, третий элемент задержки (ждущий мультивибратор) установлен с возможностью срабатывания по сигналу второго элемента задержки (ждущего мультивибратора), и выдачей разрешения открытию второго логического элемента И, обеспечивающего в свою очередь срабатывание второго исполнительного элемента.

Предложенный фиксатор направления короткого замыкания состоит из нескольких генераторов и одного приемника, причем генераторы устанавливаются на ответвлениях фидера, а приемник на подстанции. При коротком замыкании на линии срабатывает генератор, за которым произошло короткое замыкание, и сигнал его, распространяясь по фазе линии, принимается приемником, установленным на подстанции, где сработавший генератор отличают по времени появления сигнала в виде постоянного напряжения от момента короткого замыкания и в отличие от прототипа используется принцип временного разделения сигналов. Преимуществом предлагаемого устройства по сравнению с прототипом является возможность практически полного подавления помех в приемном устройстве, простота реализации передающего устройства из-за использования постоянного напряжения в качестве информационного сигнала и при относительно низком уровне этого сигнала на выходе передающего устройства можно получить достаточно высокий уровень в линии благодаря использованию резистора вместо емкости в качестве элемента связи с высоковольтной линией.

Согласно фиг.3 предложенное устройство содержит два идентичных приемных устройства 14 и 24.

На фиг.2 показана блок-схема передающего устройства 14, состоящего из преобразователя тока ПТ 9, первого элемента задержки ЭЗ 10, второго элемента задержки (ждущего мультивибратора) ЭЗ 18, логического элемента И 6, источника питания ИП 13 и резистора R 19, причем выход ПТ 9 подключен к входу ЭЗ 10, выход которого подключен к входу ЭЗ 18; выход ЭЗ 18 подсоединен к входу И 6; входы ИП13 и R19 соединены к выходу И 6, а к другому входу И 6 подключен один выход ИП 13; выход R19 подключен к линии передачи 2, к которой также подключено приемное устройство 15.

На фиг.2 также показана блок-схема приемного устройства 15, состоящего из резистора R 20, ограничителя 16, фильтра низкой частоты ФНЧ 21, режекторного фильтра Р 22, первого логического элемента И 7 и логического элемента НЕ 8, первого элемента задержки (ждущего мультивибратора) ЭЗ 23, второго элемента задержки ЭЗ 11 и исполнительного элемента ИЭ 17. Кроме того, в приемном устройстве добавлен канал, состоящий из третьего элемента задержки (ждущего мультивибратора) ЭЗ 25, второго логического элемента И 26 и второго исполнительного элемента ИЭ 27. Линия передачи 2 подключена к входу R 20, и далее последовательно соединены ограничитель 16, ФНЧ 21 и Р 22; выход Р 22 соединяется к входам И 7, И 26 и НЕ 8; элементы НЕ 8, ЭЗ 23, ЭЗ 11 и другой вход И 7 соединены последовательно; выход И 7 подключен к входу ИЭ 17. Аналогично последовательно между собой соединены элементы ЭЗ 25, И 26 и ИП 27, вход ЭЗ 25 подключен к выходу ЭЗ 11.

На фиг.3 показано, что передающие устройства 14 и 24 устанавливаются в двух ответвлениях (отпайках) 2а и 2б линии передачи 2, и на фиг.4 приведены графики напряжений для случая, когда ток короткого замыкания проходит по обеим отпайкам (при расположении их друг за другом).

Функционирование фиксатора направления короткого замыкания согласно фиг.2 заключается в следующем.

В рабочем режиме работы линии через резистор R 19 (использована в высоковольтной линии напряжением 10 кВ защищенная от осадков конструкция размером 200×250×20 мм четырех параллельно соединенных резисторов типа КЭВ-5 сопротивлением 36 мОм, и допустимой суммарной мощностью 20 Вт и напряжением 35 кВ. Действительная суммарная потребляемая мощность от фазного напряжения равна 3,7 Вт и при возможных замыканиях на землю резистор может оказаться под линейным напряжением и выделяемая мощность может увеличиться до 11,1 Вт, что почти в два раза меньше допустимого значения. Зарядный ток источника питания через эти резисторы составляет 642 мкА, и при применяемых в схеме микросхемах К561ЛА7 с малым потреблением тока суммарное потребление схемой составляет 10-20 мкА, поэтому в предлагаемом устройстве в отличие от прототипа источник питания ИП 13 постоянно подключен к узлам передающего устройства 14. Заряд емкости 10000 мкФ × 50 В источника питания происходит за 30 мин, и при необходимости снижения этого времени можно наращивать число параллельно соединенных резисторов) происходит заряд электролитического конденсатора ИП13 для питания элементов схемы в режиме передачи информационного сигнала, а также производится зарядка бумажного конденсатора до напряжения 360 В в качестве источника информационного сигнала в виде постоянного напряжения. При наличии короткого замыкания в линии наведенная электродвижущая сила в обмотке ПТ 9 значительно возрастает и, попадая на вход Э3 10, приводит к появлению на его выходе сигнала логической 1 через заданное время задержки. В момент появления сигнала на выходе ЭЗ 10 срабатывает ждущий мультивибратор ЭЗ 18, на его выходе появляется сигнал логической 1 за заданный интервал времени и этот сигнал открывает ключ (логический элемент И 6), тем самым информационный сигнал (360 В) попадает на вход R 19. Через высоковольтный резистор R 19 этот сигнал поступает в линию передачи 2 и далее на вход R 20 приемного устройства 15. С выхода R 20 сигнал поступает на вход ограничителя 16, с выхода которого постоянное напряжение и переменные составляющие, наведенные в отключенной высоковольтной линии, поступают на вход ФНЧ 21, на выходе которого переменные составляющие значительно подавляются. Поскольку в высоковольтных линиях 6-35 кВ наводятся от близлежащих высоковольтных линий 110 кВ и выше напряжение частотой 50 Гц и в отключенной линии оно может достигать 50 В, то для исключения ложного срабатывания устройства к выходу ФНЧ 21 подключен режекторный фильтр на операционном усилителе (Саидов А.С., Гаджибабаев Г.Р. Статический преобразователь активной мощности. А.с. № 638899, Б.И. № 47 от 25.12.78.), позволяющий практически полностью подавить составляющую промышленной частоты. С выхода Р 22 постоянное напряжение поступает на входы И 7 (логическая 1) и НЕ 8 (логический 0). На выходе НЕ 8 появляется логическая 1 и через заданное время с момента отключения высоковольтного напряжения на выходе ЭЗ 23 появляется сигнал логической 1 и запускается ждущий мультивибратор ЭЗ 11. Сигнал логической 1 держится на выходе ЭЗ 11 за заданный интервал времени, поступающий на вход И 7, и при наличии на другом входе И 7 сигнала логической 1 (постоянного напряжения) за этот интервал с выхода И 7 сигнал логической 1 поступает на ИЭ 17 (триггер), приводя к срабатыванию его. При включенной высоковольтной линии на входе НЕ 8 присутствует сигнал логической 1 и с выхода его сигнал логического 0 через ЭЗ 23 и ЭЗ 11 поступает на вход И 7 и состояние триггера ИЭ 17 не меняется.

Аналогичным образом работает и дополнительный канал, показанный на фиг.3. Согласно фиг.4 в момент t_i при коротком замыкании ток линии i значительно возрастает и с задержкой t₁ (учитывается бестоковая пауза t_Б и время срабатывания АПВ t_АПВ), определяемой ЭЗ 10, срабатывает ждущий мультивибратор ЭЗ 18 передающего устройства 14 и посылает в линию импульс постоянного напряжения u_Г1 в течение времени t₂. Параметры передающего устройства 24 настроены таким образом, что оно выдает постоянное напряжение u_Г2 в линию с задержкой t₃ за интервал времени t₂ согласно фиг.4 (очевидно, что при отсутствии тока короткого замыкания в отпайке 2б передающее устройство 24 выдавать напряжение в линию не будет из-за отсутствия срабатывания его преобразователя тока). Через время, не превышающее 0,1 с в момент t_u произойдет отключение линии (напряжение u исчезнет) и по этому факту элемент НЕ 8 вырабатывает сигнал логической 1. Элемент ЭЗ 23 дает задержку t₄<t₁, после чего срабатывает ждущий мультивибратор ЭЗ 11, открываясь за время t₅>t₂, и тем самым информационный сигнал u_ПР1 проходит с выхода Р 22 через И 7 на вход ИЭ 17, приводя к срабатыванию его (поскольку интервал t_u-t_i является значительно меньшей величиной, чем значения t₁, t₂, t₃, t₄, t₅, то отсчетная точка времени для передающего и приемного устройств практически одна и та же). По заднему фронту u_ПР1 согласно фиг.4 срабатывает ждущий мультивибратор ЭЗ 25 и задает разрешение открыванию И 26, благодаря появлению напряжения u_ПР2 и при наличии согласно фиг.4 за этот интервал t₅ и напряжения u_Г2 произойдет срабатывание второго исполнительного элемента ИЭ 27.

Поставленная цель достигается за счет того, что для передаваемого с выхода передающего устройства информационного сигнала в виде постоянного напряжения эквивалентное сопротивление для параллельно соединенной емкости и активного сопротивления между фазой и землей определяется значением в сотни мОм при сухой погоде (шунтирующим влиянием емкостного сопротивления постоянному напряжению сигнала можно пренебречь, в отличие от прототипа, где используется высокочастотный сигнал), хотя при влажной погоде это значение измеряется уже сотнями кОм из-за снижения активного сопротивления утечки. При значении R 19, равном 9 мОм, в линии передачи 2 длиной около 50 км при таящем снегопаде выделено постоянное напряжение 6 В при выходном напряжении передающего устройства 360 В. В данном случае имеем коэффициент деления выходного напряжения генератора делителем, состоящим из R19 и сопротивления "фаза - земля" линии в 360/6=60 раз (как выше приведено, для прототипа степень подавления информационного сигнала превышает число 2500).

Как известно, переменные составляющие (помехи) в отключенной линии определяются частотами 50 Гц и выше, и поскольку в предлагаемом устройстве помехи практически полностью подавляются (используется сигнал в виде постоянного напряжения, имеющий частоту, равную нулю), то их мешающее воздействие на работу устройства отсутствует, что является также его преимуществом (как показывает анализ, для прототипа из-за мешающего влияния помех уровень полезного сигнала в линии должен быть не ниже 1-2 В).

Известно, что устройства передачи сигнала на расстояние, реализованные по принципу частотного разделения сигналов (прототип), оказываются дороже и сложнее в изготовлении, т.о. предлагаемое устройство, реализованное по принципу временного разделения сигналов (см. ниже), оказывается простым в реализации.

Использованная литература

1. Патент RU 2092867, Бюл. № 28 от 10.10.97. "Фиксирующий индикатор направления короткого замыкания". Гаджибабаев Г.Р., Осин В.П., Саркаров С.А.

Предложенное изобретение относится к области электроизмерительной техники и может быть использовано при определении направления короткого замыкания в распределительных сетях напряжением 6-35 кВ. Целью изобретения является повышение надежности работы и упрощение устройства. Фиксатор направления короткого замыкания включает в себя два передающих устройства, каждое из которых содержит преобразователь тока, первый элемент задержки, логический элемент И, источник питания, второй элемент задержки (ждущий мультивибратор) и резистор соответствующим образом соединенные между собой, а также приемное устройство, содержащее ограничитель, логический элемент НЕ, первый элемент задержки, первый логический элемент И, первый исполнительный элемент, резистор, фильтр низкой частоты, режекторный фильтр и второй и третий элементы задержки (ждущие мультивибраторы), второй логический элемент И и второй исполнительный элемент, соответствующим образом соединенные между собой. 4 ил.

Фиксатор направления короткого замыкания, включающий в себя подключенные к двум разным ответвлениям диагностируемой линии передачи два передающих устройства, каждое из которых содержит преобразователь тока, первый элемент задержки, логический элемент И и источник питания, подключенный своим выходом к первому входу логического элемента И, а также приемное устройство, содержащее ограничитель, логический элемент НЕ, первый элемент задержки, первый логический элемент И, первый исполнительный элемент, причем выход логического элемента НЕ подключен к входу первого элемента задержки, а выход первого логического элемента И подключен к входу первого исполнительного элемента, отличающийся тем, что в состав каждого из передающих устройств дополнительно введены второй элемент задержки (ждущий мультивибратор) и резистор, причем выход преобразователя тока подключен к входу первого элемента задержки, к выходу которого подключен вход второго элемента задержки, выход второго элемента задержки подсоединен к второму входу логического элемента И, входы источника питания и резистора подключены к выходу логического элемента И, а выход резистора подключен к соответствующему ответвлению диагностируемой линии передачи, в состав приемного устройства дополнительно введены резистор, фильтр низкой частоты, режекторный фильтр и второй и третий элементы задержки (ждущие мультивибраторы), второй логический элемент И и второй исполнительный элемент, причем вход резистора подключен к диагностируемой линии передачи, выход резистора подключен к входу ограничителя, выход которого подсоединен к входу фильтра низкой частоты; выход фильтра низкой частоты подключен к входу режекторного фильтра, выход которого подсоединен к первому входу первого логического элемента И и входу логического элемента НЕ, выход первого элемента задержки подключен к входу второго элемента задержки, выход которого подсоединен к второму входу первого логического элемента И, третий элемент задержки (ждущий мультивибратор) установлен с возможностью срабатывания по сигналу второго элемента задержки (ждущего мультивибратора) и выдачей разрешения открытию второго логического элемента И, обеспечивающего, в свою очередь, срабатывание второго исполнительного элемента.