ИДЕНТИФИКАЦИЯ И НАПРАВЛЕННОЕ ДЕТЕКТИРОВАНИЕ КОРОТКОГО ЗАМЫКАНИЯ В ТРЕХФАЗНОЙ ЭНЕРГОСИСТЕМЕ Российский патент 2015 года по МПК H02H3/16 

Область техники

Настоящее изобретение относится к идентификации и направленному детектированию отказа между двумя фазами трехфазной энергосистемы без измерения междуфазного напряжения. В частности, изобретение относится к способу детектирования двухфазного отказа в энергосистеме, дающему дополнительную возможность определить, где возник отказ - на стороне линии или на стороне нагрузки от точки детектирования.

Способ согласно изобретению основан на простых сигналах, характеризующих токи каждой фазы энергосистемы, обработка которых приводит к получению параметров, дающих возможность направленного определения места короткого замыкания. Способ двухфазного детектирования двухфазного отказа можно осуществлять в связи с другими этапами для идентификации и определения места двухфазного или трехфазного отказа.

В соответствии с еще одной особенностью, изобретение относится к устройству для детектирования, выполненному с возможностью воплощения вышеуказанного способа. В частности, устройство для направленного детектирования отказа содержит средство для вычисления параметров, исходя из сигналов тока каждой фазы, при этом интерпретация параметров дает характер и/или относительное место отказа без использования значений, характеризующих напряжение между фазами, или значений, характеризующих напряжения между линией и нейтралью.

В конечном счете, напряжение относится к устройству для индикации отказа и реле отключения, содержащему датчики токов, связанные с каждой фазой энергосистемы и снабжающему устройство для детектирования сигналами, дающими возможность индикации, например, посредством индикаторной лампочки, или осуществления переключения распределительного устройства энергосистемы.

Предшествующий уровень техники

Устройства для детектирования отказа в трехфазных энергетических системах дают возможность запуска защиты нагрузки и/или способствуют определению мест отказов. Например, на фиг.1 представлена схема электрических соединений электроэнергетической распределительной системы 1 среднего напряжения, которая содержит трехфазный трансформатор 2, вторичная обмотка которого соединена с распределительной линией 3 сети. Вторичная обмотка дополнительно содержит провод общей нейтрали, в общем случае, заземляемый через полное сопротивление. Линия 3 сети питает фидерные линии 4, 4', 4”, некоторые из которых могут содержать автоматический выключатель входящей линии или иной распределительный блок 5, защищающий их. Устройство 6 для детектирования отказа типа короткого замыкания, установленное на фидерных линиях 4' или участках линии 4, может выполнять функции индикатора потока отказов, например, зажигая индикаторную лампочку 7. Устройство 6₁ может быть также связанно с реле 8 защиты, управляющим размыканием контактов автоматического прерывателя 5, или встроено в это реле.

Между линейными проводами 4 и землей могут возникать емкости 9 большой величины, вызывая сильные токи I₀ нулевой последовательности между линейными проводами 4 и землей в случае короткого замыкания 10 на землю. Чтобы предотвратить ошибочное детектирование устройством 6_i+1 для детектирования короткого замыкания на землю, обуславливаемое неправильным функционированием соседнего фидера вследствие емкостной связи 9, разработаны устройства и способы, позволяющие различить, находится ли короткое замыкание 10 на землю на стороне нагрузки от устройства 6_i для детектирования, или на стороне линии от устройства 6_i+1. В частности, в документах EP 1475874, EP 1890165, FR 2936319, FR 2936378 или WO2006/136520 предложены решения, предусматривающие использование, помимо прочего, измерения токов посредством подходящих датчиков 12.

В трехфазной линии 3, 4 возможны отказы нескольких фаз одновременно, будь то трехфазное короткое замыкание, двухфазное короткое замыкание на землю или изолированное двухфазное короткое замыкание. Идентификация присутствия короткого замыкания основана на детектировании избыточных токов, присутствующих в течение минимального периода отказа, по меньшей мере, в одной фазе, энергосистемы 1. Чтобы указать характер отказа и/или его относительное положение, приходится также проводить измерение напряжения каждой фазы или даже других параметров.

Таким образом, очевидно, что существующие устройства для детектирования отказа не оптимизированы для широкомасштабного воплощения с учетом их сложности, в частности, из-за того количества датчиков, которые приходится устанавливать, когда требуется определение места двухфазного отказа. Помимо этого, в некоторых приложениях, в частности, в системе с нейтралью, не гарантируется установление различий между двухфазным и однофазным короткими замыканиями на землю с помощью минимально возможного количества сложных устройств для детектирования, содержащих только датчики 12 тока.

Краткое изложение существа изобретения

Задача настоящего изобретения состоит в уменьшении недостатков существующих устройств и способов направленного детектирования отказов, в частности, при двухфазных коротких замыканиях. В частности, воплощаемый принцип основан на частотном анализе сигнала, характеризующего ток трехфазной линии, для идентификации характера отказа, и на анализе амплитуд или других нормированных значений фазных токов, для определения относительного места отказа без использования напряжений энергосистемы и без необходимости широкомасштабной дискретизации сигналов, характеризующих токи (как правило, достаточна частота дискретизации менее 1 кГц, например - около 600 Гц).

В общем, идентификация двухфазного характера отказа основана, в соответствии с изобретением, на частотном анализе суммарного тока полупериодов одинаковой полярности каждой фазы. Отмечается, что в присутствии отказа, когда соотношение между составляющими постоянного тока и второй гармоники тока псевдонулевой последовательности превышает один к пяти, отказ считается двухфазным, причем ток псевдонулевой последовательности, является результатом векторного сложения выпрямленных однополупериодных импульсных токов. В случае, когда это соотношение составляет менее 20%, в соответствии с предпочтительным вариантом осуществления, можно определить, является отказ однофазным или трехфазным, путем углубленного изучения результатов частотного анализа и сравнения составляющей постоянного тока и составляющей собственной частоты энергосистемы с соотношением один к пяти. Вышеупомянутый частотный анализ преимущественно завершается анализами амплитуд или других нормированных значений фазных токов, чтобы определить относительное положение отказа относительно точки, где измеряются фазные токи.

В соответствии с одной из его особенностей, изобретение относится к способу идентификации и направленного детектирования отказа в трехфазной энергосистеме, содержащему первый этап, на котором детектируют отказ, например, путем контролирования изменения сигнала, характеризующего ток, в частности, амплитуды тока, протекающего в каждой фазе.

Если на первом этапе детектируют присутствие отказа на упомянутом участке, то в соответствии с изобретением происходит запуск второго этапа, на котором идентифицируют отказ. Второй этап основан на анализе параметра, характеризующего ток, соответствующий сумме полупериодов одинаковой полярности фазных токов. Как только этот параметр получен, частотный анализ дает возможность сравнить составляющую двойной частоты энергосистемы с составляющей постоянного тока, чтобы идентифицировать двухфазный характер отказа. Сравнение с составляющей постоянного тока в преимущественном варианте также осуществляют для составляющей собственной частоты энергосистемы, чтобы идентифицировать однофазный или трехфазный отказ.

Можно воплотить и третий этап определения относительного места детектированного отказа. Он основан на обработке сигналов, характеризующих норму токов каждой фазы участка, причем эти сигналы получают на протяжении достаточно длительного заранее определенного периода, например, составляющего целое число полупериодов энергосистемы. Для детектирования относительного места в соответствии с изобретением подходит любая норма переменного тока, но предпочтительным является использование среднеквадратического значения тока или его амплитуды. После получения сигналов, характеризующих норму фазных токов, третий этап способа продолжается обработкой сигналов для обеспечения возможности интерпретации того, на стороне линии или на стороне нагрузки от точки измерения фазных токов находится отказ, детектированный на первом этапе. В соответствии с изобретением, эта обработка сигналов предусматривает вычисление среднего значения сигналов, характеризующих нормы фазных токов, и сравнение этого среднего значения с каждым из сигналов. Если норма фазного тока одной фазы после возникновения однофазного (соответственно - двухфазного) отказа выше, чем среднее значение норм, вычисленных для трех фаз, то отказ находится на стороне нагрузки (соответственно - стороне линии) от точки детектирования.

Чтобы указать характер двухфазного отказа, можно продолжить третий этап четвертым этапом, на котором рассматривают глобальное изменение фазных токов, а в частности, норму, характеризующую токи каждой фазы, сравнивают со значением, которое она принимала до отказа. В зависимости от количества фаз, в которых наблюдалось увеличение нормы, и в зависимости от ранее определенного относительного места, можно отличить двухфазное короткое замыкание на землю от изолированного двухфазного короткого замыкания. Параллельно этому, можно провести определение места трехфазного отказа путем оценки составляющей постоянного тока для тока нулевой последовательности или тока, соответствующего первому параметру.

В преимущественном варианте, сигналы, характеризующие фазные токи, фильтруют, в частности аналоговыми методами, и/или дискретизируют. В соответствии с изобретением, можно использовать относительно низкую частоту дискретизации, в частности - менее 1 кГц, например, около 500 Гц или 600 Гц.

В соответствии с предпочтительным вариантом осуществления способа, соответствующего изобретению, способ направленного детектирования связан с работой распределительного устройства для изоляции участка на стороне нагрузки от точки, где детектирован отказ.

В соответствии с другой особенностью, изобретение относится к устройству для идентификации отказа на линии в трехфазной энергосистеме, возможно, в связи с направленным детектированием, подходящему для осуществления вышеупомянутого способа. Устройство в соответствии с изобретением может быть связано с датчиками, такими, как тороиды детектирования, которые выдают сигналы, характеризующие токи. Устройство для идентификации и/или направленного детектирования может также образовывать часть индикатора потока отказов, например, за счет срабатывания средства тревожной сигнализации типа индикаторной лампочки, если отказ детектируется на той стороне от датчиков, на которой находится нагрузка. Другой сигнал, например имеющий другой цвет, может дополнительно указывать отказ на стороне линии. В конкретном предпочтительном варианте осуществления, устройство для направленного детектирования в соответствии с изобретением связано с реле защиты линии, при этом средство тревожной сигнализации вызывает срабатывание устройства прерывания линии, позволяющее изолировать участок, на котором детектирован отказ.

В частности, устройство для идентификации в соответствии с изобретением содержит первое средство для подачи первого параметра, характеризующего ток каждой фазы контролируемой линии, т.е. сумму полупериодов одинаковой полярности тока, или ток «псевдонулевой последовательности». Применительно к направленному детектированию, первое средство также выполнено с возможностью подачи первого параметра, характеризующего норму тока каждой фазы контролируемой линии. Первое средство преимущественно связано со средством фильтрации сигналов, например, с аналоговым фильтром. Первое средство предпочтительно содержит средство дискретизации для получения некоторого количества дискретных значений, например, с частотой 500 Гц или 600 Гц.

Устройство в соответствии с изобретением содержит второе средство обработки полученных характеризующих сигналов, связанных со средством активации средства обработки, при этом запуск средства активации осуществляется путем детектирования возникновения отказа. Детектирование возникновения отказа, активирующее средство активации, предпочтительно осуществляется устройством в соответствии с изобретением, которое содержит подходящее средство, в частности, средство для сравнения сигналов, характеризующих фазные токи линии одним или более опорными значениями.

Вторые средства обработки сигналов устройства в соответствии с изобретением содержат средство для определения тока псевдонулевой последовательности исходя из первых параметров и для осуществления его частотного анализа, в частности, путем сравнения составляющих первой и второй гармоник с составляющей постоянного тока, причем гармоники берутся относительно собственной частоты энергосистемы. В преимущественном варианте, второе средство устройства в соответствии с изобретением дополнительно содержит средство для вычисления среднего арифметического значения сигналов, характеризующих нормы каждой из фаз. Средство для вычисления предпочтительно связано со средством временной задержки, дающим возможность получения сигналов в течение времени, соответствующему целому числу полупериодов энергосистемы. Можно предусмотреть средство для сравнения сигналов, характеризующих нормы каждой из фаз, с их значением до отказа.

Средства обработки сигналов подключены на выходе к средствам интерпретации, которые дают возможность определять характер идентифицируемого отказа и его относительное место по отношению к точке, откуда были получены сигналы. Средство интерпретации содержит блоки сравнения между определенными гармониками, между вычисленным средним значением и каждым из сигналов, используемых для вычисления средством.

В частности, устройство для идентификации отказа в трехфазной энергосистеме содержит: первое средство для выдачи параметров, характеризующих токи каждой из фаз, содержащее средство для приема сигналов, характеризующих токи каждой из фаз, средство однополупериодного выпрямления сигналов, выдающее параметры; второе средство обработки характеризующих параметров, содержащее средство для вычисления тока, являющегося результатом суммирования первых параметров, и средство частотного анализа результата, содержащее сравнение составляющих его нулевой и второй гармоник относительно собственной частоты энергосистемы; средство активации второго средства обработки в соответствии с сигналом детектирования возникновения отказа в энергосистеме; и средство для интерпретации результатов обработки вторым средством первых параметров, чтобы определить, является ли отказ двухфазным. Средство частотного анализа второго средства может дополнительно содержать сравнение составляющих нулевой и второй гармоник результата от суммы первых параметров, и тогда средство для интерпретации результатов обработки первых параметров способно определить, является ли отказ однофазным.

Вышеупомянутое устройство можно адаптировать для направленного детектирования отказа, при этом первое средство дополнительно содержит средство для вычисления нормы сигналов, характеризующих токи каждой фазы, обеспечивающее вторые параметры, а второе средство дополнительно содержит средство для вычисления среднего значения норм в течение заранее определенного периода, и средство для сравнения каждой из этих норм с вычисленным средним значением, и тогда средство интерпретации оказывается пригодными для обработки результата обработки вторым средством вторых параметров, чтобы определить, с какой стороны от устройства: стороны линии или стороны нагрузки, находится отказ. Когда средство частотного анализа вторых средств дополнительно содержит сравнение нулевой гармоники результата, обеспечиваемого суммой первых параметров, с пороговым значением, средство для интерпретации результатов обработки вторым средством первых параметров оказывается способным идентифицировать трехфазный отказ и определить, с какой стороны от устройства: со стороны линии или со стороны нагрузки, находится отказ.

Устройство для идентификации может дополнительно содержать средство для детектирования возникновения отказа типа короткого замыкания в энергосистеме, соединенное со средством активации средства обработки сигналов. В частности, это второе средство может содержать средство для сравнения каждого из вторых параметров с сохраненным значением.

Таким образом, способ идентификации двухфазного отказа в соответствии с изобретением включает в себя следующие этапы, на которых осуществляют запуск по получаемому сигналу, указывающему присутствие отказа; получают сигналы, характеризующие каждый из фазных токов в течение времени получения, занимающего, по меньшей мере, один полупериод энергосистемы; осуществляют однополупериодное выпрямление сигналов, характеризующих фазные токи; осуществляют векторное сложение выпрямленных сигналов; осуществляют частотный анализ векторной суммы выпрямленных сигналов; и сравнивают сигнал второй гармоники с сигналом нулевой гармоники согласно частотному анализу. Можно запрограммировать сравнение сигнала первой гармоники с гармоническим сигналом согласно частотному анализу. Чтобы он оказался подходящим для определения относительного места отказа, способ дополнительно содержит этапы, на которых определяют нормы, характеризующие ток каждой фазы; вычисляют среднее арифметическое значения норм каждого из фазных токов в течение заранее определенного периода; интерпретируют результаты обработки сигналов, чтобы указать, находится ли отказ на стороне нагрузки или на стороне линии от места, где были получены сигналы, характеризующие нормы фазных токов, путем сравнения между средним значением и сигналами, характеризующими норму фазных токов.

Краткое описание чертежей

В дальнейшем изобретение поясняется описанием предпочтительных вариантов воплощения со ссылками на сопроводительные чертежи, на которых:

фиг.1, описание которой уже приведено, изображает электроэнергетическую систему с устройствами для детектирования отказов типа короткого замыкания;

фиг.2 изображает различные сигналы, используемые при осуществлении способа детектирования в соответствии с изобретением для изолированного двухфазного отказа на той стороне от устройства для детектирования, где находится нагрузка;

фиг.3 схематически и в отфильтрованном виде изображает сигналы, характеризующие фазные токи и ток псевдонулевой последовательности, когда двухфазное короткое замыкание на землю происходит с тех сторон от устройства для детектирования, где находятся, соответственно, нагрузка и линия;

фиг.4А и 4В изображают способ детектирования согласно изобретению и один из предпочтительных вариантов его осуществления;

фиг.5 изображает блок-схему устройства для направленного детектирования отказа в соответствии с предпочтительным вариантом осуществления изобретения.

Подробное описание предпочтительного варианта осуществления изобретения

Устройство 15 для направленного детектирования отказа 10 в соответствии с изобретением можно использовать в любой трехфазной энергосистеме 1, такой, как описанная в связи с фиг.1, вместо существующих устройств 6. В частности, хотя описание касается энергосистемы 1 с собственной частотой F=50 Гц, устройство и способ согласно изобретению можно адаптировать непосредственно к другим частотам. Ниже будет приведено описание для сбалансированной энергосистемы 1, т.е. такой, в которой при отсутствии отказов ток I₀ нулевой последовательности равен нулю, но это ни в коем случае не является ограничительным признаком.

Как изображено на фиг.2, средство 20 обеспечивает один или более сигналов, характеризующих ток, протекающий в каждом из трехфазных проводов 4_А, 4_В, 4_С линии 4. Средство 20 измерения тока преимущественно образует часть устройства 15 в соответствии с изобретением, установленного на линии 4, и связано с измерительными устройствами, непосредственно находящимися на линии 4, в частности, тороидами 12_А, 12_В, 12_С детектирования. Когда в трехфазной энергосистеме 1 происходит отказ 10, ток, по меньшей мере, одной фазы изменяется, в частности, на той стороне от отказа 10, где находится линия, так как является током I₀ нулевой последовательности. Кроме того, как схематически представлено, ток I_0p, являющийся результатом сложения токов каждой фазы I_Ap, I_Bp, I_Cp, также изменяется. Этот ток, именуемый далее «током псевдонулевой последовательности», представляет дополнительные характеристики, создаваемые отсутствием сглаживания высокочастотных составляющих. Таким образом, в случае изолированного двухфазного отказа 10, находящегося на стороне нагрузки от устройства 12 для детектирования фазных токов I_X, при отказе наблюдается изменение тока двух фаз В и С, тогда как ток I_A третьей фазы остается, по существу, неизменным. Если результирующий ток I₀ нулевой последовательности характеризует разрыв, то ток I_0p псевдонулевой последовательности дополнительно показывает отличающиеся частотные составляющие, в частности, на частоте f, вдвое превышающей собственную частоту F энергосистемы 1.

Является ли двухфазный отказ изолированным отказом или коротким замыканием на землю, находящимся на стороне линии или стороне нагрузки от токового детектора 12, составляющая I_{0p 100} на частоте 100 Гц тока I_0p псевдонулевой последовательности после отказа больше, чем 20% составляющей I_{0p DC} постоянного тока, чего не бывает, когда происходит однофазный отказ. Следовательно, в соответствии с изобретением, этот сигнал I_0p, характеризующий ток, протекающий в линии 4, используется для идентификации характера N отказа 10.

Поскольку изменение нагрузки Z тоже дает составляющую на частоте 100 Гц, которая может превышать 50% составляющей постоянного тока, то для того, чтобы раз и навсегда исключить простое подсоединение и отсоединение нагрузки Z, предпочтительно также контролировать составляющую первой гармоники линии 4 после отказа. Фактически, при изменении нагрузки Z не происходит генерирование составляющей на собственной частоте F энергосистемы 1, тогда как однофазный или двухфазный отказ изменяет ее, причем эта составляющая I_{0p 50}, в частности, превышает 5% составляющей I_{0p DC} постоянного тока. Еще одним вариантом можно было бы проконтролировать, что токи I_A, I_B, I_C всех трех фаз изменяются в одном и том же направлении, а это признак того, что изменение нагрузки Z вызывает разрыв, тогда как, если два из этих токов изменяются в одном направлении, а третий - в другом направлении, это значит, что произошло двухфазное короткое замыкание 10.

Таким образом, в соответствии с изобретением, сразу же после детектирования D отказа 10 в энергосистеме 1, для идентификации двухфазного характера N отказа 10, измеряют ток I_X каждой фазы, осуществляют однополупериодное выпрямление тока I_Xp, а затем складывают I_0p. Спектр гармоник суммы I_0p после отказа анализируют и рассматривают составляющую I_{0p 100} на частоте 100 Гц. Если эта составляющая превышает 20% составляющей I_{0p DC} постоянного тока и если составляющая I_{0p F} на частоте 50 Гц существует, то речь идет о двухфазном отказе. Начальное детектирование D отказа можно проводить любыми существующими средствами, например, такими, как описанные в документе FR 2936319.

Кроме того, изучая сами сигналы, характеризующие фазные токи I_X, можно различить, находится ли двухфазный отказ 10 на стороне нагрузки или стороне линии от детектора 20_i, 20_i+1. Таким же образом, как и для однофазного короткого замыкания на землю (см. FR 2936378), в зависимости от его относительного места, дифференциальное изменение амплитуды ||I_X|| тока на самом деле не следует тому же профилю. В частности, когда отказ 10 находится на стороне нагрузки от детектора 20_i, токи I_B, I_C двух фаз при отказе на самом деле увеличиваются аналогично друг другу, тогда как ток ||I_A|| третьей фазы почти не изменяется. И наоборот, притом же самом отказе, средство 20_i+1 детектирования на стороне нагрузки дает ток неизменной фазы А, который изменяется незначительно и амплитуда которого остается, по существу, неизменной (немного уменьшается) для двух фаз В, С при отказе: см. фиг.3 для двухфазного короткого замыкания 10 на землю. Вследствие этого, сравнение амплитуды ||I_X|| тока каждой фазы со средним значением µ амплитуды трехфазных токов дает возможность отличить двухфазный отказ на стороне линии от двухфазного отказа на стороне нагрузки.

Поэтому в соответствии с изобретением, вычисляют среднее значение µ сигналов, характеризующих амплитуды ||I_X|| токов каждой фазы, а потом определяют его положение относительно его разных составляющих, чтобы определить место, где находится отказ 10 относительно датчиков 12 и средства 20, обеспечивающего сигналы, характеризующие предпочтительно отфильтрованные токи I_X линии 4. В преимущественном варианте, эти сигналы анализируют в течение достаточного периода Т_получ, в частности - с получением сигналов в течение большего времени, чем полупериод энергосистемы 1, например, в течение периода 1/F или любого целого числа полупериодов. Определение места, как таковое, зависит от того, во сколько раз среднее значение µ больше, чем элементы, использованные для вычисления этого среднего значения: если среднее значение амплитуд лишь однажды превышает амплитуды, то двухфазный отказ находится на стороне нагрузки.

Как показано также на фиг.4A, изучая глобальное изменение амплитуды до и после возникновения отказа 10, можно также установить различие между двухфазным коротким замыканием на землю и изолированным двухфазным отказом. На стороне линии от двухфазного короткого замыкания на землю, токи I_X трех фаз увеличиваются по амплитуде, тогда как лишь два из них подвержены влиянию изолированного отказа. На стороне нагрузки от двухфазного короткого замыкания на землю, ток увеличивается по амплитуде, тогда как при изолированном двухфазном отказе увеличение амплитуды не происходит.

Можно дополнительно сочетать этот способ идентификации и определения относительного места двухфазных отказов с идентификацией и/или определением места однофазного отказа. Когда составляющая 100 Гц отсутствует, если составляющая 50 Гц присутствует, то идентифицируется однофазный отказ. Пользуясь вышеупомянутым способом сравнения амплитуд ||I_X|| токов, что также описано в документе FR 2936378, можно различить, находится ли отказ на стороне линии или стороне нагрузки от устройства 12, 20 для измерения тока. Вычисляют среднее значение µ сигналов, характеризующих амплитуды ||I_X|| токов каждой фазы, а потом вычисляют его положение относительно его разных составляющих. Определение места L зависит от того, во сколько раз среднее значение µ превышает значения, используемые для вычисления этого среднего значения (если среднее значение амплитуды лишь однажды превышает амплитуды, то отказ находится на стороне линии).

В отсутствие составляющих на частоте 100 Гц и на частоте 50 Гц, если отказ 10 заблаговременно детектирован D, то этот отказ является трехфазным, и можно определить его место. Когда в детектированных токах I_X присутствует составляющая I_{0p DC} постоянного тока, это означает, что либо нет подачи электропитания на линию 4, либо произошел трехфазный отказ на стороне линии. Если существует лишь составляющая постоянного тока (с исключением составляющей на частоте 100 Гц и составляющей на частоте 50 Гц), то произошел трехфазный отказ на стороне нагрузки от средства 20 детектирования тока.

Анализ фазных токов I_X после отказа 10, их амплитуды ||I_X|| и векторной суммы их полупериодов одинаковой полярности, I_0p, позволяет идентифицировать характер N отказа 10 и определить его место L. Более того, если предусмотрены средства для сохранения значений, характеризующих амплитуду фазных токов I_X и если возможно сравнение этих значений до и после отказа, то можно идентифицировать характер N' двухфазного отказа. В этом случае может оказаться желательным использование средства сохранения для продолжения детектирования D присутствия отказа 10 вместо сравнения тока I₀ нулевой последовательности с порогом, значение, которого может зависеть не только от энергетической системы, но и от состояния ее нагрузки или от резистивного характера отказа. При каждой дискретизации характеризующих сигналов I_X, например, на собственной частоте F энергосистемы 1, сравнение амплитуд ||I_X||_t фазных токов с опорным значением ||I_X||_опорн может аналогичным образом привести к запуску процесса идентификации и определения места. Опорное значение ||I_X||_опорн можно задавать или обновлять при каждом расчете нормы для сравнения между сигналами в момент t и в момент t+1.

Чтобы ограничить расчет и оптимизировать время обработки данных, можно осуществлять промежуточные этапы и/или можно осуществлять предыдущие этапы в другом порядке. Предпочтительный вариант осуществления способа в соответствии с изобретением схематически представлен на фиг.4В, при этом токи I_X каждой фазы измеряются через регулярные интервалы, например, каждые 1,5 мс. Сигналы, характеризующие фазные токи, предпочтительно фильтруют, что дает значения I_Af, I_Bf, I_Cf, получают за время получения, Т_ол, и дискретизируют. В соответствии с изобретением, за время около полупериода или полного периода достаточными оказываются от пяти до десяти значений амплитуды - для способа в соответствии с изобретением оказывается подходящей, например, частота дискретизации приблизительно 500-1000 Гц для трехфазного тока частоты 50 Гц. Тогда норма отфильтрованных дискретизированных сигналов - ||I_Af∗||, ||I_Bf∗||, ||I_Cf∗|| - определяется по формулам, подходящим для выбранной нормы.

Значения ||I_Xf∗||, полученные таким образом, сравниваются с опорной нормой ||I_X||_опорн, которая может быть фиксированной или характеристикой предшествующего периода получения в исправной энергосистеме. Если для одной из фаз Х обнаруживается значительная разница, например разница более 5 или 6%, то отказ 10 считается детектированным D, и происходит запуск способа идентификации и определения места, как такового. Последнее значение ||I_A||_0, |I_B||_0, ||I_C||₀ норм перед отказом (t<t₀) запоминают.

После того, как отказ детектирован, получают сигналы, характеризующие фазные токи I_X, в течение времени получения, Т_получ, и вычисляют ток I_0p псевдонулевой последовательности. Составляющую I_{0p DC} постоянного тока сравнивают с пороговым значением. В ее отсутствие, отказ обуславливается либо трехфазным отказом на стороне линии, либо отсутствием подачи электропитания на линию. Составляющие I_{0p 50} на частоте 50 Гц и I_{0p 100} на частоте 100 Гц тока I_0p псевдонулевой последовательности также сравнивают с низким пороговым значением, например - 5% составляющей I_{0p DC} постоянного тока, чтобы идентифицировать изменение нагрузки Z.

В других случаях, осуществляют определение амплитуд ||I_Af∗||, ||I_Bf∗||, ||I_Cf∗|| дискретизированных отфильтрованных фазных токов после отказа в течение времени получения и вычисляют их среднее арифметическое значение µ. Присутствующие на частоте 50 Гц и на частоте 100 Гц составляющие I_{0p 50} и I_{0p 100} тока псевдонулевой последовательности также сравнивают с более высокими пороговыми значениями, в частности - 20% составляющей I_{0p DC} постоянного тока, чтобы идентифицировать однофазный или двухфазный характер детектированного отказа 10. Это сравнение может быть одновременным или последовательным, и тогда оно начинается с составляющей на частоте 100 Гц. Затем арифметическое среднее значение µ сравнивают с каждой из норм ||I_Af∗||, ||I_Bf∗||, ||I_Cf∗||, взятой в отдельности, чтобы определить место отказа относительно стороны линии или стороны нагрузки от точки, где был получен сигнал, характеризующий фазные токи I_A, I_B, I_C. Для двухфазных отказов на стороне линии можно провести дополнительный этап сравнения норм ||I_Af∗||, ||I_Bf∗||, ||I_Cf∗|| после отказа с нормами ||I_A||_0, |I_B||_0, ||I_C||₀ перед отказом, чтобы конкретно указать характер N' двухфазного отказа 10.

Способ в соответствии с изобретением можно воплотить в реле 8 защиты, в системе 7 индикации отказов и тревожной сигнализации, за счет воплощения в подходящем устройстве 15 для направленного детектирования отказа. Устройство 15 в соответствии с предпочтительным вариантом осуществления изобретения схематически представлено на фиг.5, причем устройство связано с датчиками 12, например с тороидами детектирования, и предпочтительно содержит средство 20 для получения сигналов, характеризующих фазный ток I_X, подаваемых датчиками 12.

Это средство 20 для получения преимущественно содержит средство 22 фильтрации, такое, как аналоговый фильтр. В предпочтительном варианте осуществления, отфильтрованные сигналы I_Af, I_Bf, I_Cf дополнительно обрабатываются в модуле 24 дискретизации, работающем, в частности, на частоте менее 1 кГц, вследствие чего оказывается возможной выдача отфильтрованных дискретизированных сигналов I_Af∗, I_Bf∗, I_Cf∗ в средство 26 для вычисления их нормы, амплитуды, среднеквадратического или иного значения ||I_Af∗||, ||I_Bf∗||, ||I_Cf∗||. Помимо этого, средство для получения содержит средство 28 однополупериодного выпрямления, подающее фазный сигнал I_Xp для вычисления тока I_0p псевдонулевой последовательности. Затем происходит обработка параметров I_Xp и ||I_Xp∗|| в модуле 30 обработки.

Модуль 30 обработки активируется в соответствии детектированием отказа 10. С этой целью, модуль 30 обработки соединен с любым устройством 32 для детектирования отказа. В частности, устройство 32 для детектирования отказа содержит средство для сравнения нормы ||I_Xf*||, вычисленной подходящим модулем 26 модуля 20 детектирования, с опорным значением ||I_X||_опорн. Если разница по одной из фаз превышает пороговое значение, то происходит детектирование D отказа и активируется модуль 30 обработки.

Значение норм фазных токов преимущественно сохраняется в памяти 34 столько времени, сколько не было активации D. Это сохраненное значение можно затем использовать как опорное значение в средстве 32 активации. Например, при каждой дискретизации, запоминается результат ||I_Af∗||, ||I_Bf∗||, ||I_Cf∗||, а активация модуля 30 обработки также вызывает деактивацию памяти 34, так что последние значения норм ||I_A||₀, ||I_B||₀, ||I_C||₀ характеризующие ток непосредственно перед отказом 10, сохраняются.

Таким образом, модуль 30 обработки содержит вход, связанный с сигналом D, обеспечиваемым устройством 32 для детектирования отказа. Три входа, связанные со средством 26 для вычисления нормы тока, также соединены с устройством 36 для вычисления среднего арифметического значения µ данных ||I_Af∗||, ||I_Bf∗||, ||I_Cf∗|| этих трех входов. Помимо этого, устройство 38 сравнения с четырьмя входами, куда подаются эти три значения и вычисленное среднее значение µ, соединено со средством 40 интерпретации. Средство 38 сравнения осуществляет сравнение каждого из значений нормы ||I_Xf∗|| с их средним значением µ и преимущественно снабжает средство 40 интерпретации двоичным сигналом, соответствующим направлению сравнения с помощью средства 40 интерпретации.

Эти три входа, связанные со значениями ||I_X||₀, сохраняемыми в памяти 34, также соединены со средством 42 для относительного сравнения амплитуд, которое соединено с тем же средством 40 интерпретации. Средство 42 для сравнения осуществляет сравнение каждого из значений ||I_Xf∗|| норм с их сохраненным значением ||I_X||₀ и снабжает сигналом, соответствующим кратности увеличения, относительно средства 40 интерпретации. В альтернативном варианте возможна подача четырех двоичных сигналов в соответствии со сравнением кратности увеличений с единицей и тройкой.

Модуль 30 обработки дополнительно содержит три входа для данных, поступающих из модуля 28 однополупериодного выпрямления, соединенного с устройством 44 для вычисления тока псевдонулевой последовательности, выход которого соединен со средством 46 для определения уровня коэффициентов Фурье для гармоник 0, 1 и 2. Эти коэффициенты вводятся в средство 48 сравнения с обеспечением двух выходных сигналов относительно значения соотношений уровня коэффициентов Фурье для гармоник 2 и 1 с уровнем коэффициента Фурье для гармоники 0, или четыре двоичных выхода, соответствующих сравнению этих соотношений с двумя пороговыми значениями, например, 5% и 20%. Результаты также передаются в модуль 40 интерпретации.

Затем модуль 40 интерпретации выдает результат, указывающий реальное состояние D отказа, его характер N (или N') и его относительное место L по отношению к датчикам 12. Средство 36 для вычисления среднего значения µ, подобно средству 26 для определения норм, связано со средством временной задержки, чтобы гарантировать, что сигналы, характеризующие нормы ||I_Af∗||, ||I_Bf∗||, ||I_Cf∗|| фазных токов, получены в течение достаточно длительного времени Т_получ, например, - полупериода или полного периода энергосистемы 1 или даже большего времени.

Устройство согласно фиг.5 в преимущественном варианте может быть связано с реле 8 защиты для энергосистем или с индикатором потока отказов для подземных линий 4 среднего напряжения, соединенных в форме энергосистемы 1, причем выходной сигнал модуля 40 прерывания запускает отключение автоматического выключателя 5, свечение индикаторной лампочки 7 или срабатывание любых других средств защиты и/или аварийной сигнализации.

Таким образом, в соответствии с изобретением, способ и устройства 15 для идентификации и направленного детектирования отказа 10 на линии трехфазной энергосистемы воплощены без измерения напряжения, что упрощает и устройства, и воплощение последних. За счет одновременного анализа амплитуд фазных токов сразу же после отказа, анализа междуфазных изменений амплитуд токов и гармонических составляющих тока псевдонулевой последовательности, создается возможность детектирования, определения характера и места отказа.

Хотя изобретение описано применительно к трехфазной электроэнергетической распределительной системе 1 частоты 50 Гц, в которой нейтраль заземлена посредством компенсированного полного сопротивления, изобретение этим не ограничивается. Изобретение может касаться и других схем с нейтралью, поскольку возможны другие собственные частоты F. Более того, хотя речь шла об амплитуде тока, способ в соответствии с изобретением также применим с любой нормой, характеризующей изменение сигнала, в свою очередь, характеризующего фазный ток. В частности, амплитуду можно заменить среднеквадратическим (с.к.) значением или евклидовой нормой (например, нормой 2), или снова нормой 1 (также известной под названием «норма такси» или «манхэттенская норма»), или опять бесконечной нормой (или верхней нормой).

Воплощение различных схем, модулей и функций в рамках объема притязаний предпочтительного варианта осуществления изобретения может быть достигнуто с помощью аналоговых или цифровых компонентов в программируемой форме, работающей с микроконтроллерами или микропроцессорами, а характеризующие сигналы, описанные выше, могут иметь формы электрических или электронных сигналов, значений данных в запоминающих устройствах или регистрах, оптических сигналов, которые можно отображать, в частности, на индикаторах или мониторах дисплеев, или механических сигналов, воздействующих на индикаторы. Аналогичным образом, датчики тока могут отличаться от описанных трансформаторов и представлять собой такие, как датчики на эффекте Холла или магниторезисторы. Различные представленные модули можно организовать по-другому: например, средство 26 для вычисления нормы может находиться снаружи модуля 20 для получения сигналов, характеризующих ток, как и модуль 28 для определения токов I_Xp, подвергнутых однополупериодному выпрямлению.

Изобретение относится к области электротехники. В соответствии с изобретением, предложенные способ и устройство для направленного детектирования отказа в многофазной энергосистеме основаны на анализе гармоник тока в соответствии со сложением полупериодов одинаковой полярности токов каждой фазы энергосистемы, а также сравнении изменения амплитуды или любого другого нормированного значения токов каждой фазы (4_A, 4_В, 4_С). В частности, гармонику 2, соответствующую гармонике 1 предыдущего тока, сравнивают с нулевой гармоникой, и в зависимости от их соотношения можно классифицировать отказ как двухфазный или однофазный. Сравнение среднего значения (µ) нормы (||I_A||, ||I_B||, ||I_C||) каждой фазы с каждой из норм дополнительно гарантирует определение места отказа относительно датчиков (12) фазного тока. Технический результат - гарантированное установление различий между двухфазным и однофазным короткими замыканиями на землю. 10 н. и 8з.п. ф-лы, 6 ил.

1. Устройство (15) для идентификации отказа (10) в трехфазной энергосистеме (1), имеющей собственную частоту (F), содержащее
первое средство (20) для обеспечения параметров, характеризующих токи (I_X) каждой из фаз, содержащее средство (22) получения сигналов, характеризующих токи каждой из фаз, средство (28) однополупериодного выпрямления сигналов, обеспечивающее первые параметры (I_Xp),
второе средство (30) обработки характеризующих параметров, содержащее средство (44) для вычисления тока, являющегося результатом суммы (I_0p) первых параметров (I_Xp) и средство (46, 48) частотного анализа результата (I_0p), содержащее сравнение его составляющей (I_{0p DC}) нулевой гармоники и составляющей (I_{0p 2F}) второй гармоники энергосистемы (1), причем упомянутая гармоника связана с собственной частотой (F),
средство (32) активации второго средства (30) обработки в соответствии с сигналом (D) детектирования возникновения отказа (10) в энергосистеме (1),
средство (40) интерпретации результатов обработки вторым средством (30) первых параметров (I_Xp), чтобы определить, является ли отказ (10) двухфазным.

2. Устройство (15) для идентификации по п.1, в котором средство (46, 48) анализа второго средства (30) дополнительно содержит сравнение составляющей (I_{0p DC}) нулевой гармоники и составляющей (I_{0p F}) второй гармоники результата (I_0p), обеспечиваемого суммой первых параметров (I_Xp), причем упомянутая гармоника связана с собственной частотой (F) энергосистемы (1), и при этом средство (40) интерпретации результатов обработки первых параметров (I_Xp) выполнены с возможностью определять, является ли отказ (10) однофазным.

3. Устройство (15) для идентификации и направленного детектирования отказа (10) в трехфазной энергосистеме (1), имеющей собственную частоту (F), содержащее устройство для идентификации по любому из пп. 1 или 2, при этом
первое средство (20) дополнительно содержит средство (26), для вычисления нормы сигналов, характеризующих токи (I_X) каждой фазы, и обеспечивающее вторые параметры (||I_X||),
второе средство (30) дополнительно содержит средство (36) для вычисления среднего значения (µ) вторых параметров (||I_X||) в течение заранее определенного времени (Т_получ) и средство (38) для сравнения каждой из норм (||I_X||) с вычисленным средним значением (µ),
средство (40) интерпретации, предназначенное для обработки результата обработки вторым средством (30) вторых параметров (||I_X||), чтобы определить, находится ли отказ на стороне линии или стороне нагрузки устройства (15).

4. Устройство (15) для идентификации и направленного детектирования по п.3, в котором средство (46, 48) частотного анализа второго средства (30) дополнительно содержит сравнение нулевой гармоники (I_{0p DC}) результата (I_0p), обеспечиваемого суммой первых параметров (I_Xp), с пороговым значением, и при этом средство (40) интерпретации результатов обработки вторым средством (30) первых параметров (I_Xp) выполнены с возможностью идентифицировать трехфазный отказ и определять место последнего на стороне линии или стороне нагрузки устройства (15).

5. Устройство (15) для идентификации и направленного детектирования по п.3, в котором первое средство (20) содержит средство (24) дискретизации и средство (34) сохранения опорного значения (||I_X||)₀, обеспечиваемого средством (26) для вычисления нормы до отказа.

6. Устройство (15) для идентификации и направленного детектирования по п.5, в котором второе средство (30) содержит средство (42) для сравнения вторых параметров (||I_X||) с опорной нормой (||I_X||)₀ из средства (34) сохранения, а средство (40) интерпретации результатов обработки вторых параметров (||I_X||) выполнены с возможностью идентифицировать характер двухфазного отказа (10).

7. Устройство (15) для идентификации по п.1, дополнительно содержащее средство (32) для детектирования возникновения отказа (10) типа короткого замыкания в энергосистеме (1), соединенное со средством активации средства (30) обработки сигналов.

8. Устройство (15) для идентификации и направленного детектирования по п.6, в котором второе средство (30) содержит средство (34) сохранения значения (||I_X||_опорн) вторых параметров и дополнительно содержит средство (32) для детектирования возникновения отказа (10) типа короткого замыкания в энергосистеме (1), соединенное со средством активации средства (30) обработки сигналов и со средством (34) сохранения, причем средство (32) для детектирования содержит средство для сравнения каждого из вторых параметров (||I_X||) с сохраненным значением (||I_X||_опорн).

9. Индикатор потока отказов типа короткого замыкания, содержащий датчики (12_A, 12_В, 12_С) тока, расположенные на каждом фазном проводе (4_A, 4_В, 4_С) контролируемой электроэнергетической системы (1), и содержащий устройство (15) для идентификации отказа по п.1, соединенное с датчиками (12_A, 12_В, 12_С) тока, для получения сигналов, характеризующих нормы (||I_X||) фазных токов.

10. Заземленное реле (8) защиты, содержащее, по меньшей мере, один индикатор отказов по п. 9 и средство для приведения в действие распределительного устройства (5) в соответствии с результатами средства (40) интерпретации устройства (15) идентификации индикатора.

11. Индикатор потока отказов типа короткого замыкания, содержащий датчики (12_A, 12_В, 12_С) тока, расположенные на каждом фазном проводе (4_A, 4_В, 4_С) контролируемой электроэнергетической системы (1), и содержащий устройство (15) для идентификации отказов по п.8, соединенное с датчиками (12_A, 12_В, 12_С) тока, для получения сигналов, характеризующих нормы (||I_X||) фазных токов.

12. Заземленное реле (8) защиты, содержащее, по меньшей мере, один индикатор отказов по п.11 и средство для приведения в действие распределительного устройства (5) в соответствии с результатами средства (40) интерпретации устройства (15) для идентификации индикатора.

13. Способ идентификации (N) отказа (10) в трехфазной энергосистеме (1), содержащий этапы, на которых
осуществляют запуск по получаемому сигналу (D), указывающему присутствие отказа (10);
получают сигналы, характеризующие каждый из фазных токов, в течение времени (Т_получ) составляющего, по меньшей мере, один полупериод энергосистемы,
осуществляют однополупериодное выпрямление сигналов, характеризующих фазные токи (I_A, I_B, I_C),
осуществляют векторное сложение (I_0p) выпрямленных сигналов (I_Ap, I_Bp, I_Cp),
осуществляют частотный анализ векторной суммы (I_0p) выпрямленных сигналов,
сравнивают сигнал (I_{0p 2F}) второй гармоники с сигналом (I_{0p DC}) нулевой гармоники, которые обеспечиваются частотным анализом.

14. Способ по п.13, дополнительно содержащий сравнение сигнала (I_{0p F}) первой гармоники с сигналом (I_{0p DC}) нулевой гармоники, которые обеспечиваются частотным анализом.

15. Способ идентификации (N) и определения относительного места отказа (10) в трехфазной энергосистеме (1), содержащий способ идентификации по п. 14 и дополнительно содержащий этапы, на которых
определяют норму (||I_A||, ||I_B||, ||I_C||), характеризующую ток каждой фазы,
вычисляют среднее арифметическое значение (µ) норм (||I_A||, ||I_B||, ||I_C||) каждого из фазных токов в течение заранее определенного времени (Т_получ),
интерпретируют результаты обработки сигналов, чтобы указать, находится ли детектированный отказ (D) на стороне нагрузки или стороне линии от того места, где были получены сигналы, характеризующие нормы (||I_A||, ||I_B||, ||I_C||) фазных токов, путем сравнения среднего значения (µ) и сигналов, характеризующих норму (||I_A||, ||I_B||, ||I_C||) каждого из фазных токов.

16. Способ по п.15, в котором сигнал (D), указывающий присутствие отказа (10), получают путем сравнения сигналов, характеризующих нормы, с фазным опорным значением (||I_A||_опорн, ||I_B||_опорн, ||I_C|| _опорн).

17. Способ защиты линии (4) передачи тока, когда возникает отказ (10), причем способ, содержащий этапы, на которых приводят в действие распределительное устройство (5), осуществляющее прерывание линии (4), если отказ (10) детектирован способом по п. 16 на стороне нагрузки от распределительного устройства (5).

18. Способ защиты линии (4) передачи тока, когда возникает отказ (10), причем способ, содержащий этапы, на которых приводят в действие распределительное устройство (5), осуществляющее прерывание линии (4), если отказ (10) детектирован на стороне нагрузки от распределительного устройства (5) способом идентификации (N) и определения относительного места (L) отказа (10) в трехфазной энергосистеме (1), содержащий способ идентификации по п.13 и дополнительно содержащий этапы, на которых
определяют норму (||I_A||, ||I_B||, ||I_C||), характеризующую ток каждой фазы,
вычисляют среднее арифметическое значение (µ) норм (||I_A||, ||I_B||, ||I_C||) каждого из фазных токов в течение заранее определенного времени (Т_получ),
интерпретируют результаты обработки сигналов, чтобы указать, находится ли детектированный отказ (D) на стороне нагрузки или стороне линии от того места, где были получены сигналы, характеризующие нормы (||I_A||, ||I_B||, ||I_C||) фазных токов, путем сравнения среднего значения (µ) и сигналов, характеризующих норму (||I_A||, ||I_B||, ||I_C||) каждого из фазных токов.