НАПРАВЛЕННОЕ ОБНАРУЖЕНИЕ ЗАМЫКАНИЯ В СЕТИ, В ЧАСТНОСТИ, В СИСТЕМЕ С ЗАЗЕМЛЕННОЙ СКОМПЕНСИРОВАННОЙ ИЛИ ИЗОЛИРОВАННОЙ НЕЙТРАЛЬЮ Российский патент 2017 года по МПК G01R31/02 G01R31/08 H02H3/00 

Область техники

Изобретение относится к направленному обнаружению замыкания на землю, в частности, в энергосистеме со скомпенсированной нейтралью и, в конкретном случае, с изолированной нейтралью. В частности, изобретение относится к способу обнаружения замыкания на землю в энергосистеме, дополнительно предоставляющему возможность определения, располагается ли замыкание на стороне линии или на стороне нагрузки от точки обнаружения. Способ, согласно изобретению, основан на анализе сигнала в установившихся рабочих условиях после замыкания.

Согласно другому аспекту, изобретение относится к устройству обнаружения, способному реализовывать вышеупомянутый способ. В частности, устройство направленного обнаружения замыкания на землю содержит средство для интерпретации сигналов тока и напряжения после помех от переходных процессов, сгенерированных при замыкании, для того чтобы задать ему относительное местоположение.

Изобретение, наконец, относится к устройству указания замыкания и размыкающему реле, содержащему датчики для напряжения и тока нулевой последовательности энергосистемы и обеспечивающему вышеупомянутое устройство обнаружения сигналами, предоставляющими возможность указания, например, посредством указателя, или осуществления отключения переключающим устройством энергосистемы.

Предшествующий уровень техники

Устройства обнаружения замыкания в трехфазных энергосистемах предоставляют возможность запуска защиты нагрузки и/или обеспечение помощи в месте упомянутых замыканий. Например, на фигуре 1 представлена схема электрической распределительной энергосистемы 1 среднего напряжения, которая содержит трехфазный трансформатор 2 с вторичной обмоткой, которая может содержать общий нейтральный проводник, обычно заземленный посредством полного сопротивления 3 (в случае энергосистемы с изолированной нейтралью не существует никакого физического соединения между нейтральной точкой энергосистемы и землей). Вторичная обмотка дополнительно соединена с главной распределительной линией, которая питает питающие линии 4, 4’, 4”, некоторые из которых могут содержать выключатель входящей линии или другое переключающее устройство 5, защищающее их.

Питающие линии 4, 4’, 4”, состоящие из воздушных линий и/или подземных кабелей, могут подвергаться различным замыканиям, которые важно выявить и для которых важно определить местоположение для того, чтобы уменьшить созданные проблемы: прерывание электропитания, ухудшение сопротивления изоляционного оборудования, не говоря уже о безопасности людей. Устройство 6 обнаружения замыкания, установленное на питающие линии 4’, или участок линии 4, может действовать в качестве указателя протекания тока замыкания, излучая свет, например световой указатель 7. Устройство 6₁ может дополнительно быть связано с или встроено в реле защиты 8, способное к управлению размыканием контактов автоматического выключателя 5.

Среди этих замыканий, самыми частыми являются однофазные замыкания, расположенные за пределами подстанции-источника, в которых фаза находится в контакте с землей, или разрыв подвесного кабеля, в частности, в случае суровых климатических условий. Однако, между проводниками 4 линии и землей, в частности, если питающие линии 4 являются подземными кабелями, могут возникать значения 9 высокой емкости, вызывая протекание высоких токов I₀ нулевой последовательности, в случае замыкания 10 на землю. Чтобы избежать ложного обнаружения устройством 6 обнаружения замыкания на землю, вызванного неправильным функционированием соседней питающей линии из-за емкостной связи 9, были разработаны устройства и способы для распознания, располагается ли замыкание 10 на стороне нагрузки от устройства 6_i обнаружения, или на стороне линии от устройства 6_i+1.

Кроме того, заземлению 3 вторичной обмотки трансформатора 2 может быть самому свойственно ограничение амплитуды замыкания 10 на землю. В распределительных энергосистемах среднего напряжения замыканием на землю через резистор (или чувствительность к замыканию на землю) называются случаи, когда уровень тока замыкания является низким (и поэтому трудно выявляемым), либо потому, что сопротивление замыкания является высоким, либо потому, что заземление 3 нейтрали на уровне трансформатора подстанции-источника ограничивает данный ток замыкания (случай компенсационной катушки или изолированной нейтрали, например), либо потому, что земля сама имеет резистивную природу. Для данных очень резистивных замыканий нужно осуществлять более точные измерения тока (чувствительные к замыканию на землю).

В документах EP 1475874, EP 1890165, FR 2936319 или WO 2006/136520 предложены устройства и способы обнаружения и определения местоположения направления замыканий на землю, которые, однако, действительно полагаются на значительную дискретизацию в течение периода переходных процессов при замыкании. Документ FR 2936378, со своей стороны, предлагает определение с помощью малой величины дискретизации, что, однако, не является подходящим для трехполюсных кабелей, учитывая, что ток каждой из фаз является недоступным. Кроме того, во всех случаях, идентификация присутствия замыкания 10 основана на обнаружении сверхтоков, по меньшей мере, на одной фазе энергосистемы 1, в течение минимальной продолжительности замыкания, что может быть неподходящим для чувствительности к замыканиям на землю, или в случае энергосистем со скомпенсированной или изолированной нейтралью. Таким образом, очевидно, что можно оптимизировать устройства обнаружения замыкания.

Краткое изложение сущности изобретения

Среди других преимуществ, изобретение стремится уменьшить недостатки существующих способов и устройств направленного обнаружения замыкания на землю. В частности, принцип действия реализуемой направленности основан на анализе параметров тока нулевой последовательности в установившихся рабочих условиях после замыкания, который, однако, действительно остается подходящим для энергосистем со скомпенсированной и/или изолированной нейтралью, и который не требует большой дискретизации представляющих сигналов (обычно, достаточно частоты дискретизации менее 1 кГц, например, приблизительно 500 или 600 Гц), что предоставляет возможность реализации в оборудовании, не имеющем запоминающего устройства большой емкости на уровне аппаратного и/или программного обеспечения.

Согласно одному из своих признаков, изобретение относится к способу направленного обнаружения замыкания на землю в многофазной энергосистеме, в частности со скомпенсированной или изолированной нейтралью, с использованием сигналов, представляющих напряжение и производную тока нулевой последовательности энергосистемы, и оценки разности фаз между упомянутыми двумя сигналами, в частности, посредством сравнения ее с , после того, как способ был запущен, следуя за сигналом, указывающим присутствие замыкания на землю. Способ, согласно изобретению, предпочтительно, содержит предварительный этап генерирования упомянутого сигнала указания присутствия замыкания, при этом способ содержит этапы, на которых получают сигнал, представляющий напряжение нулевой последовательности энергосистемы, и сравнивают последний с пороговой величиной. Если данный этап планируется, то сигнал, представляющий собой напряжение нулевой последовательности, может тогда также использоваться для направленного обнаружения.

Способ, согласно изобретению, таким образом, содержит этап, на котором получают сигналы, представляющие напряжение нулевой последовательности, соответственно, производную по времени тока нулевой последовательности, которые могут происходить из непосредственной обработки представляющих сигналов, обеспеченных выделенными датчиками, или из этапа, на котором вычисляют упомянутые сигналы из напряжения, соответственно, из тока, полученных для каждой фазы энергосистемы. Предпочтительно, эти сигналы фильтруются и/или дискретизируются на частоте менее 1 кГц, в частности приблизительно 600 Гц.

Чтобы оценить разность фаз между двумя сигналами, способ может содержать этап, на котором определяют угол между сигналами, представляющими напряжение и производную тока нулевой последовательности, и, предпочтительно, дополнительного до 180° к нему угла. Угол, определенный таким образом, сравнивается с фиксированным параметром, в частности, с угловым диапазоном с центром в 180°, что эквивалентно сравнению дополнительного к нему угла с пороговой величиной. В зависимости от результата сравнения, способ, согласно данному варианту осуществления изобретения, указывает, находится ли замыкание на стороне линии или на стороне нагрузки от точки, в которой получены сигналы, и, в частности, если угол близок к 180°, считается, что замыкание находится на стороне линии.

В случае системы с изолированной нейтралью, когда разность фаз между сигналами, представляющими напряжение и производную тока нулевой последовательности, составляет 0 или 180°, способ, предпочтительно, содержит этап, на котором определяют знак произведения между сигналами, представляющими напряжение и производную тока нулевой последовательности, для указания, находится ли замыкание на стороне линии или на стороне нагрузки от точки, в которой получены сигналы. В частности, способ, согласно данному варианту осуществления изобретения, содержит этапы, на которых вычисляют произведение между сигналами, представляющими напряжение и производную тока нулевой последовательности, и сравнивают данное произведения с нулем: если произведение является отрицательным, то считается, что замыкание находится на стороне линии.

Согласно предпочтительному варианту осуществления способа согласно изобретению, упомянутый способ направленного обнаружения связан с приведением в действие переключающего устройства для изолирования участка от точки на стороне нагрузки, в которой было обнаружено замыкание.

Дополнительная задача изобретения состоит в предоставлении устройства направленного обнаружения замыкания на землю, которое является подходящим для многофазной энергосистемы среднего напряжения, и, в частности, когда энергосистема имеет скомпенсированную или изолированную нейтраль. Устройство направленного обнаружения, согласно изобретению, может быть связано с датчиками тока и напряжения, которые обеспечивают соответствующие представляющие сигналы. Устройство направленного обнаружения может дополнительно образовывать часть указателя протекания тока замыканию, например, посредством приведения в действие средства предупреждения типа светового указателя, если обнаружено замыкание на стороне нагрузки от датчиков. В конкретном предпочтительном варианте осуществления, устройство направленного обнаружения, согласно изобретению, связано с реле защиты линии, при этом средство предупреждения вызывает приведение в действие переключающего устройства линии, предоставляя возможность изолирования участка, в котором оказалось обнаружено замыкание.

Устройство, согласно изобретению, содержит первый модуль, предназначенный для обеспечения сигнала, представляющего напряжение нулевой последовательности энергосистемы. Первый модуль предпочтительно содержит средство для приема сигнала, представляющего напряжение каждой из фаз, и средство суммирования для обеспечения упомянутого напряжения нулевой последовательности. Первый модуль может содержать средство дискретизации, в частности, на частоте менее 1 кГц, и/или средство фильтрации, такое как аналоговый фильтр.

Устройство, согласно изобретению, содержит второй модуль, предназначенный для обеспечения сигнала, представляющего производную по времени тока нулевой последовательности. Второй модуль предпочтительно содержит средство для приема сигнала, представляющего ток нулевой последовательности, и блок дифференцирования. Средство для приема сигнала, представляющего ток нулевой последовательности, может содержать средство для приема сигнала, представляющего ток каждой из фаз, и средство суммирования для обеспечения упомянутого тока нулевой последовательности. Второй модуль может содержать средство дискретизации, в частности, на частоте менее 1 кГц, и/или средство фильтрации, такое как аналоговый фильтр.

Устройство, согласно изобретению, дополнительно содержит средство для приведения в действие второго модуля согласно сигналу обнаружения возникновения замыкания. Устройство предпочтительно содержит средство для обеспечения упомянутого сигнала обнаружения, соединенное с первым модулем и содержащее блок сравнения сигнала, представляющего напряжение нулевой последовательности, с пороговой величиной обнаружения.

Устройство, согласно изобретению, наконец, содержит модуль определения местоположения, соединенный с первым и вторым модулями, содержащий средство для оценки, по отношению к , разности фаз между напряжением нулевой последовательности и производной тока нулевой последовательности. В частности, средство для оценки разности фаз содержит средство для определения угла между напряжением нулевой последовательности и производной тока нулевой последовательности и средство для сравнения упомянутого угла с фиксированным параметром, которым в частности является диапазон значений с центром в 180°. Устройство предпочтительно дополнительно содержит средство для определения дополнительного до 180° угла к упомянутому углу, и средство сравнения предназначено для сравнения упомянутого дополнительного угла с пороговой величиной. В случае, в котором энергосистема является системой с изолированной нейтралью, средство для оценивания разности фаз может быть упрощено и содержать средство для определения знака произведения между напряжением нулевой последовательности и производной тока нулевой последовательности, предпочтительно средство для вычисления упомянутого произведения и средство для сравнения данного произведения с нулем.

Краткое описание чертежей

Другие преимущества и признаки станут более понятными и очевидными из последующего описания конкретных вариантов осуществления изобретения, приведенных лишь в иллюстративных целях, но никоим образом не в качестве ограничивающих примеров, и представленных на сопроводительных фигурах.

Фигура 1, уже описанная, представляет собой электрическую энергосистему, в которой могут использоваться устройства обнаружения замыкания на землю.

На фигуре 2A показаны сигналы в схематичной и отфильтрованной форме, представляющие токи, производную тока нулевой последовательности и напряжения, и относительный угол, когда замыкание на землю возникает, соответственно, на стороне нагрузки и на стороне линии от устройства обнаружения; на фигуре 2B изображен частный случай энергосистемы с изолированной нейтралью.

На фигуре 3 изображен способ обнаружения, согласно предпочтительному варианту осуществления изобретения.

Фигура 4 представляет собой блок-схему устройства обнаружения замыкания на землю, согласно предпочтительному варианту осуществления изобретения.

Описание предпочтительного варианта осуществления изобретения

Изобретение будет описано для сбалансированной трехфазной энергосистемы 1 со скомпенсированной или изолированной нейтралью, в которой каждая линия 4, 4’, 4” содержит три подземных фазовых проводника 4_A, 4_B, 4_C, вторичная обмотка трансформатора 2 заземлена посредством катушки 3 Петерсена, либо не соединена с землей (отсутствие полного сопротивления 3 на фигуре 1), и ток I₀ нулевой последовательности является нулевым при отсутствии замыкания. То, что понимается под током I₀ нулевой последовательности, является, с точностью до возможного коэффициента «3», суммой векторов различных фазных токов, либо током, соответствующим мгновенной результирующей фазных токов, иногда называемым остаточным током, который может соответствовать току замыкания на землю или току утечки. Следует отметить, что возможно отклонение от данной ситуации, в частности, при ненулевом токе/напряжении нулевой последовательности, и энергосистема может содержать другое количество фаз; система с нейтралью, кроме того, может и не быть скомпенсированной.

Когда замыкание 10 на землю возникает на одной из фаз, ток упомянутой фазы в идеале становится нулевым на стороне нагрузки от замыкания 10, и наблюдается увеличение его амплитуды на стороне линии: поэтому существует возникновение тока и напряжения I₀, V₀ нулевой последовательности на стороне нагрузки от замыкания 10. Однако, как изображено на фигуре 2A, может быть замечено частое возникновение тока также на стороне линии от замыкания из-за емкостной связи 9. Кроме того, после очень короткого периода переходных процессов, приблизительно 20-40 мс, компенсационная катушка 3 с нейтральной точкой быстро уменьшает ток I₀ замыкания до значения, которое меньше пикового значения в 30 А, то есть среднеквадратичного значения в 20 А, которое может быть трудно обнаруживаемым. В частности, если компенсация энергосистемы является должным образом точной, то период переходных процессов является слишком коротким для достоверного обнаружения, и ток I₀ нулевой последовательности остается очень слабым в установившихся рабочих условиях на стороне линии или на стороне нагрузки. Обнаружение возникновения упомянутого замыкания 10 потребует сравнения с очень низкой пороговой величиной, приводя к ложным положительным результатам, либо замыкание 10 окажется вполне просто не идентифицированным защитой 6, 8.

В случае изолированной нейтрали, изображенной на фигуре 2B, возникает то же самое явление с током при переходных процессах, который смог достигнуть пикового значения в 170 А, но за слишком короткий период для достоверного обнаружения. Только емкостные токи, которые протекают после, из-за проводников, то есть приблизительно 2-4 А/км под землей и 0,08 А/км над землей, генерируют ток I₀ нулевой последовательности, который также меньше пикового значения в 30 А.

Примечательно, что в обоих случаях напряжение V после замыкания 10 со своей стороны остается замеченным, при этом компенсация, сгенерированная катушкой 3, не является совершенной, и изоляция нейтрали не оказывает влияния на напряжение V. На практике, после фазы переходных процессов и до осуществления защитой 8 отключения на стороне линии от питающей линии 4, данное напряжение остается приблизительно равным нескольким киловольтам (по меньшей мере 20% от напряжения линии), то есть достаточным для обнаружения в установившихся рабочих условиях. Изобретение, поэтому, предлагает использовать измерение напряжения V₀ нулевой последовательности для обнаружения D замыкания на землю посредством сравнения данного значения с пороговой величиной S₀. Напряжение V₀ нулевой последовательности может быть измерено непосредственно подходящим датчиком 12, или вычислено из измерения фазных напряжений V_A, V_B, V_C, кроме того, выполняемого оборудованием защиты типа VPIS (Voltage Presence Indicator System) (Система Указателя Присутствия Напряжения), расположенного в трансформаторе 2.

Кроме того, хотя ток I₀ нулевой последовательности очень слаб в установившихся рабочих условиях после замыкания 10, изобретение предлагает использовать данную стадию для определения относительного местоположения замыкания 10. На фигуре 2 фактически также показано, что в зависимости от того, находится ли замыкание на стороне линии или на стороне нагрузки от точки обнаружения, после помех от переходных процессов, разность фаз между напряжением и током отличается. Разность фаз I₀ опережает V₀ на π/2 на стороне нагрузки от замыкания 10, тогда как разность фаз отличается от π/2 на стороне линии. Согласно изобретению, используется обработка данных относительно напряжения V₀ нулевой последовательности и тока I₀, выявленного подходящими датчиками 14 в установившихся рабочих условиях.

В частности изобретение использует сигнал, соответствующий производной тока нулевой последовательности dI₀/dt в рабочих условиях после переходных процессов, который позволяет:

- «увеличить» сигнал I₀ низкой амплитуды (из-за компенсации посредством катушки 3 с нейтральной точкой или сгенерированного только протеканием емкостных токов из-за системы с изолированной нейтралью) посредством умножения его на кольцевой импульс ω энергосистемы 1 для лучшего восприятия;

- помещать данный сигнал dI₀/dt непосредственно по отношению к оси напряжения V₀ нулевой последовательности: только в случае замыкания на стороне линии, два значения находятся на одной и той же оси, при этом ошибки разности фаз, внесенные датчиками 12, 14 не принимаются во внимание.

В случае, где нейтраль изолирована, на фигуре 2B дополнительно показано, что разность фаз I₀ отстает на π/2 на стороне линии от замыкания 10. Затем становится возможным помещать данный сигнал dI₀/dt непосредственно по отношению к напряжению V₀ нулевой последовательности: вследствие сдвига на 90°, внесенного дифференцированием, в зависимости от того, находится ли замыкание на стороне линии или на стороне нагрузки, упомянутые два сигнала dI₀/dt и V₀ являются синфазными или находятся в противофазе. Включая случай, в котором незначительная разность фаз присутствует вследствие датчиков или неточностей измерительных цепей, данная ситуация соответствует изменению знака произведения между двумя сигналами

который очень прост в реализации.

Из-за осуществления обнаружения в установившихся рабочих условиях, можно использовать более низкую дискретизацию, в частности менее 1 кГц, например, 12 точек в период (соответствующих частоте дискретизации f_ech=600 Гц для энергосистемы 1 с частотой F=50 Гц), что облегчает вычисления и уменьшает стоимость оборудования по сравнению с дискретизацией с высокой частотой, обычно 2500-3000 Гц, необходимой для осуществления измерения в рабочих условиях при переходных процессах в начале замыкания 10.

Таким образом, в способе, согласно предпочтительному варианту осуществления согласно изобретению, схематично изображенному на фигуре 3, на первом этапе получают сигнал, представляющий напряжение V₀ нулевой последовательности, который является предпочтительно отфильтрованным сигналом V_0f. Получение сигнала может быть выполнено непосредственно через выделенный датчик 12 или посредством суммирования трех значений фазных напряжений V_A, V_B, V_C сигналов, которые также предпочтительно отфильтрованы и дискретизированы V_Af*, V_Bf*, V_Cf*. Сигнал напряжения нулевой последовательности сравнивается с пороговой величиной S₀. Если пороговая величина не превышена, то считается, что никакого замыкания 10 нет на линии 4, и способ определения местоположения не запускается; иначе, считается, что замыкание 10 является выявленным D.

Кроме факта, что любые подходящие средства могут обеспечивать указание касаемо обнаружения D, как только замыкание 10 оказалось выявленным, определяется производная по времени сигналов, представляющих фазные токи I_A, I_B, I_C, например, программным или аппаратным дифференцированием сигналов, обеспеченных датчиками тока 14A, 14B, 14C. Предпочтительно, сигналы, представляющие производные токов, фильтруются и дискретизируются, причем порядок данных этапов может отличаться от указанного порядка (например, фильтрация может иметь место перед дифференцированием). Три сигнала суммируются для получения сигнала, представляющего производную отфильтрованного дискретизированного тока dI_0f*/dt нулевой последовательности. Альтернативно, ток нулевой последовательности I₀ может быть измерен непосредственно посредством выделенной катушки 14, и затем дискретизирован, отфильтрован и дифференцирован. Такое непосредственное измерение тока нулевой последовательности является более точным и предоставляет возможность исключения аддитивных ошибок датчиков, когда выполняется суммирование измерений тока каждой линии.

Для получения достоверного измерения предпочтительным является измерения сигнала в течение двух периодов. Предпочтительно, когда одна и та же продолжительность используется для получения напряжения нулевой последовательности, но это не является обязательным.

Вследствие сдвига, внесенного дифференцированием тока I₀ нулевой последовательности, сигнал dI₀/dt находится в противофазе (180°) с напряжением V₀ в случае замыкания, расположенного на стороне линии от обнаружения, поскольку в данном случае ток имеет емкостное происхождение 9. Способ, таким образом, содержит этап определения разности фаз между производной dI₀/dt тока нулевой последовательности и напряжением V₀ нулевой последовательности, для того чтобы идентифицировать, равна ли она 180° или нет.

Более точно, этап определения разности фаз традиционно содержит этап определения угла β между производной dI₀/dt тока нулевой последовательности и напряжением V₀ нулевой последовательности, или его дополнительного угла α=180-β. Данное определение может быть выполнено любым способом: графическим или программным, или вычислительным измерением пересечений нуля сигналов, соответственно, в минимуме или в максимуме, или эллиптическим представлением, или даже вычислением вектора на комплексной плоскости, и т.д., или любым их сочетанием. Дополнительный угол α к углу β между производной dI₀/dt тока нулевой последовательности и напряжением V₀ нулевой последовательности затем сравнивается с угловой пороговой величиной S_α. Можно считать, что ниже пороговой величины S_α угол α равен нулю, при этом неточности из-за датчиков во внимание не принимаются, и определяется, что местоположение L замыкания находится на стороне линии от точки измерения. Если угол α больше пороговой величины, местоположение L укажет, что замыкание находится на стороне нагрузки от точки измерения.

Пороговая величина S_α может быть определена согласно точности P_c используемых датчиков 12, 14 и выбранной частоты дискретизации f_ech. Фактически, в случае дискретизации с x точками в период, каждый отсчет дискретизации покрывает угловой сектор 360°/x, соответствуя точности ±360°/2x. Амплитуду данного углового сектора около 180° между рассматриваемыми сигналами можно, таким образом, рассматривать как , где F является частотой энергосистемы 1, то есть замыкание на стороне линии соответствует β[180-S_α, 180+S_α], или |α|≤θ_max.

Датчикам 14 тока и датчикам 12 напряжения может быть свойственно самостоятельное внесение разности фаз (которые имеют в данном случае традиционно ±90°, в случае индуктивных или емкостных мостов), либо сигналы I и V можно получать посредством другого оборудования, также вносящего разность фаз. Описанный принцип действия может быть легко адаптирован посредством регулирования пороговой величины S_α подходящим образом.

В частном случае, в котором система с нейтралью является изолированной, изображенная прерывистыми линиями на фигуре 3, из-за сдвига, внесенного дифференцированием тока I₀ нулевой последовательности, сигнал dI₀/dt находится в противофазе (180°) с напряжением V₀ в случае замыкания, расположенного на стороне линии от обнаружения, поскольку в данном случае ток имеет емкостное происхождение 9, но остается синфазным (сдвиг составляет 0°), когда замыкание 10 находится на стороне нагрузки от обнаружения 6_i. Способ может быть упрощен в том, что этап определения разности фаз, таким образом, содержит этап вычисления произведения Π между производной тока нулевой последовательности dI₀/dt и напряжением V₀ нулевой последовательности, причем данное вычисление можно выполнять любым известным способом: умножитель на операционном усилителе, специализированная интегральная схема или умножение посредством программного обеспечения. Вычисленное, таким образом, произведение Π затем сравнивается с нулем: оно больше нуля в случае замыкания на стороне нагрузки и ниже в случае замыкания на стороне линии. В качестве альтернативы, рассматривается только знак произведения Π: если произведение является положительным, то местоположение L будет указывать, что замыкание находится на стороне нагрузки от точки измерения. Для данной простой проверки определения знака произведение Π может вычисляться по «постоянно обновляемому» принципу, то есть по всем отсчетам дискретизации, происходящим от предыдущих этапов, либо посредством учета его среднего значения в течение некоторой продолжительности, предпочтительно, большей периода энергосистемы 1, например, приблизительно в 20 мс. В случае, в котором сами датчики вносят разность фаз, традиционно ±90° в случае индуктивных или емкостных мостов, коррекция представляющего сигнала выполняется в первом или втором модуле.

Способ, согласно изобретению, может быть установлен в реле 8 защиты, в указателе 6 замыкания с системой 7 оповещения, посредством реализации в подходящем устройстве 100 направленного обнаружения замыкания на землю.

Устройство 100, согласно предпочтительному варианту осуществления изобретения, схематически изображено на фигуре 4. Оно содержит первый модуль 20, предоставляющий возможность получения сигнала, представляющего напряжение V₀ нулевой последовательности, из информации, обеспеченной подходящими датчиками напряжения 12A, l2B, 12C, например, датчиками VPIS. Первый модуль 20, предпочтительно, содержит, в независимом порядке, средство 24 фильтрации сигналов V_A, V_B, V_C, такое как аналоговый фильтр, и средство 26 дискретизации, преимущественно, функционирующее на частоте менее 1 кГц. Отфильтрованные дискретизированные сигналы V_Af*, V_Bf*, V_Cf* обрабатываются средством 28 суммирования, предоставляющим возможность определения напряжения V₀ нулевой последовательности. Альтернативно, средство 28 суммирования может быть выполнено с возможностью непосредственной обработки сигналов, принятых через датчики 12A, 12B, 12C, после чего следует фильтрация и дискретизация.

Альтернативно, если энергосистема обеспечена подходящим датчиком 12, сигнал, представляющий напряжение V₀ нулевой последовательности, может быть принят непосредственно первым модулем 20 устройства 100, согласно изобретению, модули 24, 26 фильтрации и дискретизации которого затем выполнены с возможностью обработки данного сигнала.

Первый модуль 20, таким образом, предназначен для обеспечения значения V₀ напряжения нулевой последовательности, а устройство, согласно изобретению, содержит средство 30 обнаружения замыкания, в частности, модуль, выполняющий сравнение напряжения V₀ нулевой последовательности, полученного первым модулем 20, с пороговой величиной S₀. Если пороговая величина превышена, то замыкание D является обнаруженным. Устройство 100 может быть обеспечено средством для указания замыкания, например, световым или звуковым указателем, контактными реле или линией связи.

Кроме того, средство 30 обнаружения замыкания предназначено для приведения в действие второго модуля 40 устройства 100, согласно изобретению, предоставляющему возможность получения сигнала, представляющего производную по времени тока I₀ нулевой последовательности. Второй модуль 40 содержит блок 42 дифференцирования для определения производной по времени сигналов, представляющих фазные токи I_A, I_B, I_C, обеспеченные подходящими датчиками 14A, 14B, 14C, например, катушками обнаружения. В изображенном варианте осуществления производные dI_A/dt, dI_B/dt, dI_C/dt фильтруются с помощью подходящего средства 44, такого как аналоговый фильтр, а затем отфильтрованные сигналы dI_Af/dt, dI_Bf/dt, dI_Cf/dt обрабатываются посредством дискретизации с помощью средства 46 дискретизации, преимущественно, функционируя на частоте менее 1 кГц. Отфильтрованные дискретизированные сигналы dI_Af*/dt, dI_Bf*/dt, dI_Cf*/dt обрабатываются с помощью средства 48 суммирования второго модуля 40 для определения производной тока dI_0f*/dt нулевой последовательности.

Примечательно, что средство 40 обработки второго модуля может быть организовано по-другому: в частности, средство 48 суммирования может быть выполнено с возможностью непосредственной обработки сигналов, принятых от датчиков 14A, 14C, 14B, причем далее может следовать со своей стороны блок 42 дифференцирования. Аналогично, фильтрация и дискретизация могут выполняться по-другому.

Альтернативно, если энергосистема обеспечена подходящим датчиком 14, сигнал, представляющий ток I₀ нулевой последовательности, может быть принят непосредственно вторым модулем 40 устройства 100, согласно изобретению, при этом далее средства 42, 44, 46 дифференцирования, фильтрации и дискретизации выполнены с возможностью непосредственной обработки сигнала, представляющего ток I₀ нулевой последовательности.

Результаты операций обработки первых и вторых модулей 20, 40 сообщаются в модуль 50 для определения относительного местоположения замыкания 10. Модуль 50 определения местоположения содержит средство для оценивания разности фаз, и в частности первое средство 52 для вычисления угла β между двумя поданными значениями, то есть напряжением V₀ нулевой последовательности и производной тока нулевой последовательности dI₀/dt. Преимущественно, первое средство выполнено с возможностью вычисления дополнительного угла α, разности между и β, упомянутого угла β. Модуль 50 затем содержит средство 54 сравнения для определения относительного местоположения, например, средство для сравнения значения дополнительного угла α с пороговой величиной S_α, и для сообщения этого.

Когда устройство, согласно изобретению, предназначено для использования в энергосистеме со скомпенсированной нейтралью, средство для оценивания разности фаз модуля 50 определения местоположения может альтернативно содержать второе средство 52’ для вычисления произведения Π между двумя предоставленными значениями, то есть напряжением V₀ нулевой последовательности и производной тока нулевой последовательности dI₀/dt, и средство 54’ сравнения для определения относительного местоположения, например, средство для сравнения упомянутого произведения с нулем, и для сообщения этого.

При желании, можно обеспечить две альтернативы определения разности фаз в одиночном модуле 50 для одного и того же устройства 100, с помощью, например, системы выбора одного или другого из каналов, согласно конечному месту назначения устройства 100 определения местоположения в месте эксплуатации.

Устройство 100 на фигуре 4, преимущественно, может быть связано с реле 8 защиты для электрических энергосистем, или с указателем протекания тока замыкания для подземных или надземных линий 4 среднего напряжения, соединенных в качестве энергосистемы 1, при этом выход модуля 50 определения местоположения запускает отключение выключателя 5, свечение светового указателя или любое другое средство предупреждения и/или безопасности.

Вследствие этого, способ и устройство, согласно изобретению, предоставляют возможность:

- направленного обнаружения замыкания на землю в энергосистеме 1 среднего напряжения, включающей в себя скомпенсированную нейтраль и изолированную нейтраль, на основе информации о напряжении нулевой последовательности и токе нулевой последовательности;

- направленного обнаружения замыкания на землю без необходимости высокочастотной дискретизации из-за использования характеристик энергосистемы 1 в установившихся рабочих условиях после замыкания, а не в рабочих условиях с переходными процессами;

- направленного обнаружения замыкания на землю, которое обходит проблемы регулировки пороговой величины, и уровня емкостного тока, согласно питающим линиям 4, и предотвращает «пропускание» замыкания в случае точной компенсации энергосистемы 1, вследствие его основания на пороговом напряжении нулевой последовательности, а не на токе нулевой последовательности;

- направленного обнаружения замыкания на землю, которое предоставляет возможность усиления данных, передаваемых током, посредством использования производной тока нулевой последовательности, а не тока непосредственно;

- направленного обнаружения замыкания на землю, предоставляющего возможность упрощения вычислений и обработки сигналов, из-за использования производной тока нулевой последовательности, что предоставляет возможность непосредственного выравнивания данной величины на оси напряжения нулевой последовательности в случае замыкания на стороне линии от устройства, избегая необходимости в ресурсах для вычисления тока и векторов напряжения на комплексной плоскости или угла поляризации для задания схемы отключения на стороне линии/на стороне нагрузки;

- направленное обнаружение замыкания на землю, которое проще всего реализовать в случае энергосистемы с изолированной нейтралью из-за использования только произведения между производной тока нулевой последовательности и напряжением нулевой последовательности и проверки его знака.

Несмотря на то, что в его общем варианте реализации изобретение было описано со ссылкой на трехфазную систему распределения энергии, в которой нейтраль заземляется скомпенсированным полным сопротивлением, изобретение этим не ограничивается. Изобретение может относиться к другим типам многофазных энергосистем: в частности подходит любая система с нейтралью.

Кроме того, хотя изобретение было описано с использованием определения и обработки мгновенного напряжения V₀ нулевой последовательности для обнаружения замыкания, способ, согласно изобретению, может использовать некоторые разновидности упомянутого напряжения V₀ по отношению к его значению, определенному в течение предыдущего периода. Данный альтернативный вариант осуществления оказывается, в частности, преимущественным в случае энергосистем, представляющих малый дисбаланс между фазами, напряжение V₀ нулевой последовательности которых, поэтому, является не нулевым в ситуации без присутствия замыкания.

Различные схемы, модули и функций, присутствующие в объеме предпочтительного варианта осуществления изобретения, могут фактически быть достигнуты посредством аналогичных или цифровых компонентов или в программируемом виде, функционирующем с микроконтроллерами или микропроцессорами, и описанные представляющие сигналы могут иметь форму электрических или электронных сигналов, значений данных или информации в запоминающих устройствах или регистрах, оптических сигналов, способных отображаться, в частности, на указателях или средствах со считываемым выводом, или механических сигналов, срабатывающих с выключателями. Аналогично, датчики тока могут быть отличными от описанных катушек, такими как датчики на эффекте Холла или эффекте Фарадея или магниторезистивном эффекте. Напряжение может быть обнаружено трансформаторами напряжения, емкостным делителем, резистивным делителем или датчиками на эффекте Поккельса.

Группа изобретений относится к направленному обнаружению замыкания на землю, в частности, в энергосистеме со скомпенсированной нейтралью и, в конкретном случае, с изолированной нейтралью. В частности, изобретение относится к способу обнаружения замыкания на землю в энергосистеме, дополнительно предоставляющему возможность определения, располагается ли замыкание на стороне линии или на стороне нагрузки от точки обнаружения. Предложены способ направленного обнаружения замыкания на землю в многофазной энергосистеме, устройство для реализации указанного способа, указатель протекания тока короткого замыкания на землю, содержащий устройство направленного обнаружения замыкания, реле защиты заземления, содержащее указатель замыкания. Способ направленного обнаружения замыкания на землю в многофазной энергосистеме среднего напряжения, в частности со скомпенсированной нейтралью и/или изолированной нейтралью, включает этапы: обнаружения замыкания посредством изменения напряжения (V₀) нулевой последовательности; определения направленности, определенной по разности фаз, в частности посредством угла или знака произведения, между производной тока нулевой последовательности (dI₀/dt) и напряжением (V₀) нулевой последовательности, при условиях непрерывного замыкания. Технический результат заключается в снижении влияния помех, в упрощении процедуры измерений, упрощении расчетов, в частности в возможности обнаружения при малой дискретизации. 5 н. и 10 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Устройство (100) для направленного обнаружения замыкания (10) на землю в многофазной энергосистеме (1) среднего напряжения, содержащее:

- первый модуль (20), предназначенный для обеспечения сигнала, представляющего напряжение (V₀) нулевой последовательности набора фаз;

- второй модуль (40), предназначенный для обеспечения сигнала, представляющего производную по времени тока (I₀) нулевой последовательности;

- средство приведения в действие упомянутого второго модуля (40) согласно сигналу (D), выявляющему возникновение замыкания на землю в энергосистеме (1);

- модуль (50) определения местоположения, содержащий средство для оценки, по отношению к π, разности фаз между напряжением (V₀) нулевой последовательности, обеспеченным первым модулем (20), и производной тока нулевой последовательности (dI₀/dt), обеспеченной вторым модулем (40).

2. Устройство (100) направленного обнаружения по п.1, в котором средство для оценки разности фаз содержит средство (52) для определения угла (β) между напряжением (V₀) нулевой последовательности, обеспеченным первым модулем (20), и производной тока нулевой последовательности (dI₀/dt), обеспеченной вторым модулем (40), соответственно дополнительного до 180° угла (α) от упомянутого угла (β), и средство (54) сравнения упомянутого угла (β), соответственно упомянутого дополнительного угла (α), с фиксированным параметром для определения, находится ли замыкание на стороне линии или на стороне нагрузки от устройства (100).

3. Устройство (100) направленного обнаружения по п.1, в котором средство для оценивания разности фаз содержит, для энергосистемы среднего напряжения с изолированной нейтралью, средство (52') для вычисления произведения (Π) между напряжением (V₀) нулевой последовательности, обеспеченным первым модулем (20), и производной тока нулевой последовательности (dI₀/dt), обеспеченной вторым модулем (40), и средство (54') для сравнения упомянутого произведения (Π) с нулем.

4. Устройство (100) направленного обнаружения по п.1, в котором первый модуль (20) содержит средство для приема сигнала, представляющего напряжение (V_A, V_B, V_C) каждой из фаз энергосистемы (1), и средство (28) суммирования для обеспечения упомянутого напряжения (V₀) нулевой последовательности.

5. Устройство (100) направленного обнаружения по п.1, в котором второй модуль (40) содержит средство для приема сигнала, представляющего ток (I) энергосистемы (1), и блок (42) дифференцирования, предназначенный для обеспечения производной по времени (dI/dt) сигнала, представляющего ток (I).

6. Устройство (100) направленного обнаружения по п.5, в котором средство для приема сигнала, представляющего ток, предназначено для приема сигнала, представляющего ток (I_A, I_B, I_C) каждой из фаз энергосистемы (1), и в котором второй модуль (40) содержит средство (48) суммирования для обеспечения сигнала, представляющего ток (I₀) нулевой последовательности.

7. Устройство (100) направленного обнаружения по п.1, дополнительно содержащее средство (30) для обнаружения возникновения замыкания на землю в энергосистеме, соединенное с первым модулем (20) и со средством приведения в действие второго модуля (40), при этом упомянутое средство (30) обнаружения содержит блок сравнения сигнала, представляющего напряжение (V₀) нулевой последовательности, с пороговой величиной (S₀) обнаружения.

8. Указатель (6) протекания тока короткого замыкания на землю, содержащий датчики (12, 12A, 12B, 12C, 14, 14A, 14B, 14C) тока и напряжения, выполненные на контролируемой линии (4, 4A, 4B, 4C) электроэнергетической системы (1), и содержащий устройство (100) направленного обнаружения замыкания по любому из пп.1-7, соединенное с упомянутыми датчиками (12, 12A, 12B, 12C, 14, 14A, 14B, 14C) для приема сигналов, представляющих ток и напряжение.

9. Реле (9) защиты заземления, содержащее по меньшей мере один указатель замыкания по п.8 и средство приведения в действие переключающего устройства (5) согласно результатам модуля (50) определения местоположения устройства (100) направленного обнаружения указателя.

10. Способ направленного обнаружения (D, L) замыкания (10) на землю в многофазной энергосистеме (1), содержащий этап, на котором, когда получен сигнал (D) присутствия упомянутого замыкания на землю (10), запускают направленное определение (L) замыкания (10), причем упомянутое направленное обнаружение содержит последовательные этапы, на которых:

- получают сигналы, представляющие напряжение (V₀) нулевой последовательности и производную по времени тока нулевой последовательности (dI₀/dt);

- оценивают, по отношению к 180°, разность фаз между сигналами, представляющими напряжение (V₀) нулевой последовательности и производную по времени тока нулевой последовательности (dI₀/dt).

11. Способ направленного обнаружения по п.10, в котором этап оценивания разности фаз содержит этапы, на которых:

- определяют угол (β) между сигналами, представляющими напряжение (V₀) нулевой последовательности и производную по времени тока нулевой последовательности (dI₀/dt), соответственно дополнительный до 180° угол (α) в 180° от упомянутого угла (β);

- сравнивают упомянутый угол (β), соответственно дополнительный угол (α), с фиксированным параметром для указания, расположено ли обнаруженное замыкание (D) на стороне нагрузки или на стороне линии от места, где были получены упомянутые представляющие сигналы.

12. Способ направленного обнаружения по п.10, в котором энергосистема является системой с изолированной нейтралью и в котором этап оценивания разности фаз содержит этапы, на которых выполняют вычисление произведения (Π) между сигналами, представляющими напряжение (V₀) нулевой последовательности и производную по времени тока нулевой последовательности (dI₀/dt), и сравнивают упомянутое произведение (Π) с нулем.

13. Способ направленного обнаружения по п.10, в котором сигнал (D), указывающий присутствие замыкания (10) на землю, получают посредством сравнения сигнала напряжения (V₀) нулевой последовательности с пороговой величиной (S₀) обнаружения замыкания.

14. Способ направленного обнаружения по п.10, в котором этап получения сигналов, представляющих напряжение (V₀) нулевой последовательности и производную по времени тока нулевой последовательности (dI₀/dt), содержит этап, на котором осуществляют дискретизацию на частоте менее 1 кГц.

15. Способ защиты линии (5) тока, при возникновении замыкания (10) на землю, содержащий этап, на котором приводят в действие переключающее устройство (6) упомянутой линии (5), если замыкание (10) на землю обнаружено посредством способа по любому из пп.10-14 на стороне нагрузки от упомянутого переключающего устройства (6).